Kemi by Emil Busch

BaSE

Helge Mygind

Kemi2000

C-niveau

P. Haase & S"ns Forlag

: . ,!

Helge Mygind: Kemi 2000 C-niueau

ÂŠ P. Haase & Sens Forlag as og Helge Mygind1994

Typografisk tilrettelreggelse og omslagsdesign:

0ivind Kaae / (;rafikerne

Omslagsilluslrationer: Svend Tougaard / Biofoto (Gormfeltet),

Steven Canvin (molekylmodel af ethanol),

Lars Gejl/ Biofoto (laboratorium)

Tegninger: Klaus Mikkelsen

Fotos i bogen: Wermund Bendtsen (figur 16), Esso (tigur 72),

Radiometer (figur 89), Kommunekemi (figur 102), Superfos

(figur 106), Elsam (figur 117), Andre Maslennikov / Biofoto

(figur Wl), Det Kongelige Bibliotek (portr<etterne af Bohr,

Bmnsted, Rutherford, Sorensen, Wiihler), forlagets arkiv

(portra't1erne af Avogadro, Dalton, Mendelejev, Thomson)

Bogen er sat med Century Old Style og Frutiger af forfatteren

)

Trykt hos a-offset, Holstebro Indbundet hos j.P. Meller Bogbinderi A/S, Haderslev

1. udgave 1. opIag 1994

ISBN 87-559-0992-2

Kopiering fra denne bog rna kun finde sted pa institutioner, der har indgaet aftale med Copy-Dan og kun inden for de i aftalen nacvnte rammer

Dette kemisystem bestar af:

Kemi 2000 C -niveau

Kemi 2000 B-niveau

(udkommer 1995)

Kemi 2000 A-niveau 1 (udkommer 1995)

Kemi 2000 A-niveau 2 (udkommer 1996)

Af samme forfatter foreligger:

Kemi 1

Kemi 1 - ovelser

Kemi2

Kemi3

Kemi 2/3 - evelser

Kerni 1 - 8velser og Kerni 2/3 - ovelser kan bruges

sammen med Kemi 2000-systemet

Indhold

Forord·7

Grundstoffer . 9

Atomteorien . 9

Atomets opbygning . 12

Atommasse ·16

Grundstoffernes periodiske system' 18

Atomernes elektronsystem . 22

Grundstoffernes forekomst . 25

loner· 27

Natriumchlorid . 27

Salte med simple ioner . 30

Eksempler pa salte . 32

Saltes egenskaber . 34

Fceldningsreaktioner . 38

Exoterme og endoterme reaktioner . 40

Ma-ngdeberegninger . 43

Densitet . 43

Formelmasse. Molekylmasse . 46

Stofmcengde . 47

Kemiske mcengdeberegninger . 52

Idealgasloven . 56

Kovalent binding· 61

Navngivning . 61

Atomernes elektronsky . 61

Kovalent binding· 63

Eksempler pa kovalente bindinger . 64

Elektronegativitet . 67

Molekyler . 70

Grundstoffet carbon· 72

Indhold

Et indblik i den organiske kemi . 76

Organisk kemi . 76

Carbonatomets bindingsforhold . 77

Alkaner' 80

Alkanernes egenskaber . 84

Alkener·87

Alkyner·92

Cycloalkaner og cycloalkener . 92

Aromatiske carbonhydrider (arener) , 95

Naturgas . 98

Olie ' 100

Nogle oxygenforbindelser ·104

Blandinger . 108

Homogene og heterogene blandinger ·108

Procent og ppm' 108

Stofm<engdekoncentration ·110

Ma:ttet oplosning . 113

Aktuel koncentration . 115

Titreranalyse . 117

Syre-basereaktioner . 120

Et eksempel pil en syre-basereaktion ' 120

Syrer'122

Baser ·124

pH-begrebet . 126

Milling og beregning af pH . 129

Syre-basetitrering . 131

Redoxreaktioner . 134

Oxidation og reduktion . 134

Sp<endingsr<ekken . 135

Korrosion . 138

Oxidationstal . 139

Afstemning af reaktionsskemaer for redoxreaktioner . 142

Redoxtitrering . 145

Kemikalier og sikkerhed ·146

Gr<ensev<erdier . 146

M<erkning af kemikalier ·148

Kemikalieaffald . 152

~,·.t't*,!tt! tilt'r'ut'd.frtnief'H6nmen ;ftW'rrW'r ·ty1e

·'!'lli• •,,'··

--~-,

Indhold

Forsuring . 154

Vands kredslob. Sur regn . 154

Svovl og svovlforbindelser . 156

Nitrogen og nitrogenforbindelser . 158

Emission af svovldioxid og nitrogenoxider . 162

BegriPnsning af S02-emissionen . 166

BegriPnsning af NOx-emissionen 路169

Forsuringsskader . 173

Register路 176

Tabeller . 179

Grundstoffernes periodiske system' Bagest

:rrrin.

Forord

Kemi 2000 er skrevet til de gymnasiale uddannelser. Systemet er tilpasset den reviderede gymnasiebekendtgorelse fra 1993. I 1. g pa gymnasiets matematiske linje undervises der i kemi pa C-niveau. Derefter kan eleverne tage kemi som valgfag enten pa B-niveau (mellemniveau) elIer paA-niveau (hojt niveau). Sproglige og hf'ere kan vrelge kemi pa B-niveau. Kemi 2000 C-niveau giver en omhyggelig indforing i kemiens grundbegreber, men man kan ikke lrere kemi blot ved at lrese bogen igennem. En egentlig indlrering opnas kun ved at arbejde aktivt med stoffel. Brug papir og blyant under lresningen, noter hovedpunkterne i det lreste stot, skriv de kemiske formler, pmv at atstemme reaktionsskemaerne osv. Opgavelosning spiller en vigtig rolIe i indlreringsprocessen. Bo gen indeholder et stort antal opgaver at vidt forskellig svrerheds grad, hvilket abner mulighed for differentieret undervisning. Der formidles en hel del kemisk viden via opgaverne. Bogen er sat med relativt stor linieatstand. Det skulIe derfor ikke blive noget problem at na de 140-170 sider, som bekendtgorelsen foreskriver. Sidste kapitel indeholder temaetforsuring, der kan lre ses som valgfrit stof. Kapitlet kan suppleres med tv-udsendelser og med aktuelIe klip fra aviser og tidsskrifter. Bekendtg0relsen og undervisningsvejledningen lregger op til, at man folger navngivningsreglerne fra den internationale kemiske organisation IUPAC. Kemi 2000 f0lger desuden en del anbefalin ger fra IUPAC med hensyn til valg at betegnelser m.m. IUPAC anbefaler, at man bruger ~ til at angive to modsat ret tede reaktioner, mens ;;::: angiver ligevregt. Denne skeinen mel lem ikke-ligevregt og ligevregt spiller ikke nogen srerlig rolIe pa C-niveauel. Her i bogen er ;;::: brugt generelt til at angive ikke fuldstrendige reaktioner - ogsa i nogle tilfrelde, hvor reaktionen nreppe er naet helt til ligevregt under de aktuelIe reaktionsbetin gelser. Ordet strukturformel bruges i overensstemmelse med IUPAC, der angiver CH:;CHOHCOOH som eksempel. En strukturformel viser atomernes rrekkefolge. En formel med samtlige bindings streger kaldes at IUPAC displayed. I overensstemmelse med tidli gere praksis er der her valgt ordet stregformel.

,,-~.

...• .••.

t,.' .~

".1'

Farard

Det er sj<£ldent, at der optr<£der fejl, som skyldes forveksling at m (masse) og m (meter eller milli). Det kr<£ver en vis - omend beskeden - indsats at l<£re at skelne mellem M (molar masse) og M (mol/L). Det kunne v<£re fristende helt at undga brugen at M og konsekvent skrive mol/L, men det vil give problemer pa et se nere tidspunkt, nar man skal arbejde med emneboger, tidsskrifter, databoger, opgavesamlinger, studentereksamensopgaver og ovel sesvejledninger. Tak til mine kemikolleger pa Yarde Gymnasium, Irene Kartvedt og fens Peter 0stergaard-fensen, for et inspirerende og behageligt dagligt samarbejde, og til Soren Hauge Andersen, Esbjerg Stats skole, for en god og grundig korrekturl<£sning. Henvendelser fra brugerne af l<£rebogssystemet med kommen tarer, forslag til forbedringer, papegning af fejl m.m. vil blive mod taget med tak.

Helge Mygind

lililtili ltlJl •• itl ··.·iiIiIillillrillllllil*lIliils........:IllIC.'t.t1.··'Iillll:iriO.:tllll"lInilli'tilli"t1IIIIIIi.'1·llir.·I'III'.;.......

",,·liIIII

i i

tW,.tt !: me lO,s "Mt' "rf

Grundstoffer

Atomteorien

John Dalton 1766-1S44 Engelsk naturvidenskabs mand og loerer. Beskrev i 1794 som den forste

farveblindhed. Fremsatte i 1S01 »Daltons lov« for trykket i gasblandinger. Dalton kaldes atom

teoriens fader. Han opstillede sin atomteori i 1803. men offentlig gjorde den forst i 1SOS.

Figur 1. Nogle af Dal tons »kemiske formler«.

Luft, vand, sand, ler, hvide sten, sorte sten, gule sten, tree, grees... Vi kan urniddelbart konstatere, at naturen omkring os bestiir at mange forskellige stoffer. Det er en gammel tanke, at alt stof er opbygget at nogle fa grund leeggende bestanddele. I den greeske oldtid fremsatte filosoffen Empedokles (ca. 490-435 f.Kr.) en teori om stoffers opbygning. 1£01 ge denne teori er alt stof opbygget at fire elementer, nemlig vand, ford, luft og ild. Ideen om de fire elementer blev senere bearbejdet at Aristoteles (384-322 f.Kr.) , og hans anskuelser var den geengse teori i de neeste ca. 2000 ar. Det var en rent filosofisk teori - i modseetning til moderne naturvidenskabelige teorier, som er baseret pa eksperi menter. Det moderne grundstofbegreb skal f0rst og fremmest tilskrives den franske kemiker Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794). Han mente, at et stof kunne anses for at veere et grundsto/, hvis det end nu ikke havde veeret muligt at nedbryde stoffet til andre stoffer. Man kan spalte vand til to andre stoffer, nemlig hydrogen (brint) og oxygen (ilt). Derfor er vand ikke et grundstof. Derimod kunne man ikke spalte hydrogen, sa det er et grund stof. Det samme geelder oxygen. Stoffer, som ikke er grundstoffer, kaldes kemiske forbindelser. Vand er en kemisk forbindelse at grundstofferne hydrogen og oxygen. Lavoisier opstillede i 1789 en liste med 33 grundstoffer. En del at disse stoffer har senere vist sig at veere kemiske forbindelser, og to at dem. lys og varme, er efter nutidens opfattelse slet ikke stoffer. Atumteorien er n0je knyttet til grundstofbegrebet. 1f0lge atom teorien bestar alt stof at nogle meget sma partikler, som kaldes atomer. Et grundstof bestar at ens atomer, mens en kemisk for bindelse bestar at forskellige atomer, som er bundet sammen. Den f0rste anvendelige atomteori blev opstillet at John Dalton i 1803. Nar Dalton skrev kemiske fonnler, anvendte han symbolske tegninger at atomerne, se figur 1.

o hydrogen

o oxygen

CD nifrogen

vand

tllfllfloniak

yrundstojjer

Vand og ammoniak er kemiske forbindelser. Dalton antog, at de kemiske forbindelser var simplest muligt sammensat. Med den moderne skrivemade svarer det til, at vandmolekylet har formlen HO og ammoniakmolekylet formlen NH. I yore dage ved vi, at de to stoffers formler er H20 og NH 3. I mange ar var der tvivl om den kemiske formel for vand og en r;:ekke andre almindelige stoffer. Omkring 1850 var der stadig kemikere, som h;:evdede, at vand havde formlen HO. Man skal helt frem til ca. 1865, fer aIle accepterede, at formlen matte v;:ere H20. Det kemiske symbol H betegner grundstoffet hydrogen, men det angiver ogsa en bestemt m;:engde af grundstoffet, nemlig et hydrogenatom. Ved almindelig temperatur binder hydrogen atomer sig sammen to og to til hydrogenmolekyler:

Pa tilsvarende made bestar oxygen at molekyler, som hver inde holder to atomer. Oxygenmolekylet betegnes Oz. Nar man blander hydrogen og oxygen i en beholder, fordeler molekylerne sig mellem hinanden. Hvis blandingen opvarmes (ant;:endes), sker der en kemisk reaktion. Figur 2 viser modeller af systemet fer og efter reaktionen. Figur 2. F0r reaktionen rum mer beholderen en

CD CD

blanding af hydrogen og oxygen. Der dannes vand

damp ved reaktionen. Bemcerk. at der er

•

fer reaktion

dier reaktion

anvendt overskud

Reaktionsskemaet for reaktionen mellem hydrogen og oxygen skrives sMan:

af oxygen.

M to hydrogenmolekyler og et oxygenmolekyle far man to vand molekyler. Som man ser, er der 4 H-atomer og 2 O-atomer pa begge sider at reaktionspilen. Atomerne er bundet sammen pa en anden made efter reaktionen end fer reaktionen. Ved en kemisk reaktion ;:endres de kemiske bindinger mellem atomerne, men selve atomerne ;:endres ikke. Et reaktionsskema er ajstemt, nar der er lige mange atamer af hvert grundstof pa begge sider af reaktionspilen. Som eksempel pa afstemning af et reaktionsskema kan vi se pa forbr;:ending at

:...willen

nrrm

·+!I 'c.:tX rt· . crt f

Grundstoffer

methan, der har formlen CH 4â&#x20AC;˘ En forbramding er en reaktion med oxygen, og ved forbnendingen af methan dannes der carbondioxid (C0 2 ) og vand: (ikke afstemt) Dette reaktionsskema er ikke afstemt. Man ser nemlig, at der er 4 H-atomer pa venstre side og kun 2 pa h0jre, og at der er 2 O-atomer pa venstre side og 3 pa h0jre side. Det er nemmest at afstemme H-atomerne f0rst og gemme afstemningen af O-atomerne til sidst, idet oxygen indgar i begge stofferne pa h0jre side. Afstemningen af H-atomerne sker ved at srette koefficienter foran formlerne, indtil der er lige mange HÂ atomer pa begge sider: (ikke helt afstemt) Etter afstemning af O-atomerne er reaktionsskemaet afstemt: CH 4 + 20 2

CO 2 + 2H20

Naturgas er en blanding af forskellige stoffer. Methan udg0r ca. 90% af naturgas, og forbrrendingen af methan er derfor en vigtig kemisk reaktion. De stoffer, som star pfl venstre side af reaktionspilen, kaldes reaktanter (eller udgangsstoffer) , mens stofferne til h0jre for pilen kaldes produkter (eller reaktionsprodukter). Nflr man skal skrive et reaktionsskema, begynder man med at skrive de korrekte kemiske formler for reaktanter og produkter, og deretter afstemmes samtlige grundstoffer ved at s~tte koefficienter foran formlerne. Man rna naturligvis ikke rette pa en korrekt kemisk formel for at fa reaktionsskemaet til at stemme. Senere indf0res reaktionsskemaer med ioner. Her skal man desÂ uden s0rge for, at den elektriske ladning er den samme pa begge sider af reaktionspilen.

Opgave 1. Afstem f01gende reaktionsskemaer: a) CH 4 + H20 ~ CO + H2 b) CO + H2 ~ CH 30H c) H2 + N2

d) NH 3 + 02

NH 3

NO + H20

Opgave 2. Hvilken forskel er der pA en blanding af to grundstoffer og en

kem;sk forbindelse bestaende af de to grundstoffer?

Grundstoffer

Opgave 3. Tegn en model af en blanding af hydrogenmolekyler 09 chlor足 molekyler (CI 2). Tegn f.eks. 5 hydrogenmolekyler og 7 chlormolekyler. Hvis en blanding af hydrogen og chlor belyses med Iys fra en

blitzp~re,

sker

reaktionen: H2 + CI 2

---'>

2HCI

Tegn en model af systemet efter reaktionen.

Opgave 4. Daltons atomteori bygger bl.a. pa folgende antagelser:

a) Et grundstof bestar af ens atomer.

b) Et atom kan ikke deles i mindre dele.

c) Et atom af et grundstof kan ikke omdannes til et atom af et andet grund足

stof. Diskuter pa grundlag af viden fra grundskolens fysik-kemi-undervisning, om man stadig anser disse antagelser for at

v~re

rigtige.

Atomets opbygning Oprindelig forestillede man sig, at atomet var en lille kugle, som ikke kunne deles i mindre dele. Ordet atom kommer af det grceske ord atomos, som betyder udelelig. I slutningen af 180o-tallet opdagede man imidlertid, at det var muligt at trcekke negativt ladede partikler ud af metaller ved at an足 vende en stor spcendingsforskel. Princippet fremgar af figur 3. Figur 3. Et katode足 straleror.

Der tilsluttes en spcendingskilde mellem katoden K og anoden A, idet katoden forbindes til minus. R0ret er ncesten lufttomt. Nar spcendingsforskellen er tilstrcekkelig stor, udgar der de sakaldte katodestriiler fra katoden og over mod anoden, hvor en strale gar gennem et hul og videre ud i mret. Hvis man tilslutter en spcendingsforskel mellem de to vandrette plader pa figur 3, kan man afb0je katodestralen. Desuden kan stralen afb0jes af en magnet. Nogle fysikere troede, at katodestraleme var bolger, men flere og

.,. urn' tt' tet et:rtr tV

-'.r

Grundsto//er

Joseph John Thomson

1856-1940 Engelsk fysiker, som opdagede elektronen i 1897. Tildelt nobelprisen i

fysik 1906. Han paviste i 1913, at grundstoffet neon bestod af flere for skellige isotoper (isotoper

omtales side 14).

Figur 4. I Thomsons

atom model er elektro nerne fordelt i en positivt ladet kugle.

flere fors0g tydede pa, at stralerne var en stmm af negativt ladede partikler. Ved at studere afb0jningen af katodestraler kunne den engelske fysiker Joseph John Thomson i 1897 bestemme forholdet mellem de negativt ladede partiklers ladning og masse. Hans fors0g viste. at dette forhold var det samme, uanset hvilket metal katoden var lavet af. Det er altsa den samme negative partikel. som kan trrekkes ud af aIle metaller. Hermed havde han opdaget den fundamentale par tikel, som vi kalder elektronen. Elektronerne rna vrere trukket ud af metalatomerne i katoden. Herefter er det en naturlig tanke, at elektronerne indgar som be standdel af atomet. Som vist pa figur 4 mente Thomson, at elektro nerne var fordelt i en positiv ladet kugle pa samme made som rosinerne i en rosinbolle. Men han kunne ikke bestemme antallet af elektroner. og derfor kunne han ikke afg0re, om den positive ladning var knyttet til et stof med masse. Thomsons atommodel kunne irnidlertid ikke forklare nogle for S0g, som blev lavet af Ernest Rutherford og medarbejdere i 1909-11. De sendte den form for radioaktiv straling, som kaldes a-strilling, ind mod et tyndt folie af guld. Pa det tidspunkt vidste man, at a-stralingen bestod af positive heliumioner. Som vist pa figur 5 passerede de fleste a-partikler gennem guld foliet uden at afb0jes ncevnevcerdigt. Nogle fa af a-partiklerne blev imidlertid kastet tilbage i den retning, de kom fra. Thomsons mo del kan ikke forklare denne hi'lrde tilbagekastning. Pa grundlag af fors0get opstillede Rutherford en ny atommodel. If0lge hans model er ncesten hele atomets masse samlet i en line kerne. som sidder midt i atomet. De fa a-partikler. som kastes til bage i fors0get pa figur 5, er st0dt frontalt ind mod en af de tunge atomkerner i guldfoliet. Atomkernen har en positiv elektrisk ladning, og de negativt la

I Figur 5. Rutherfords

forsog.Opstillingen befandt sig i en lufttom beholder. Modellen til hojre pfl

gU/dfo/ie

figuren illustrerer Rutherfords tolkning af forsoget.

gu/df'o/ie

Grundstoffer

dede elektroner bevreger sig rundt omkring kernen i »stor« af stand. Et atom er i sig selv ufattelig lille, og kernens radius er ca. 100000 gange mindre end atomets radius. I yore dage ved vi, at atomkernen bestar af to slags partikler, nemlig protoner, som har en positiv elektrisk ladning, og neutroner, som er elektrisk neutrale, se figur 6. Neutronen er opdaget sa sent som i 1932. Figur 6. Model af et elektron

atom.

""'- .v--nellfron proton

atom

Ernest Rutherford 1871-1937 Engelsk fysiker, som hovedsagelig studerede radioaktive omdannelser. Rutherford modtog nobelprisen i kemi i 1908. Der er forslag om at give

kerne

Kernen er omgivet af negativt ladede elektroner. Protonens ladning er +e og elektronens ladning -e, hvor e er den elektriske elementar ladning. Det er den mindste ladning, man kender. Normalt siger man blot, at protonens ladning er + 1 og elektronens -1. Et atom indeholder lige mange protoner og elektroner, sa atomet er elek trisk neutralt. Protoner, neutroner og elektroner kaldes elementarpartikler. Nogle data for partiklerne er anf£lrt i tabel1 £lverst pa nreste side. Masseenheden 1u defineres side 16. LPg mrerke til, at protonen og neutronen begge har en masse pa ca. 1u, mens elektronens masse er ubetydelig i forhold hertil. Antallet af protoner (og dermed antallet af elektroner) kaldes atomets nummer og betegnes Z. Atomnummeret fortreller, hvilket grundstof der er tale om. Nr. 1 er hydrogen, nr. 2 er helium, nr. 3 lithium osv. Oprindelig troede man, at et grundstof bestod af helt ens atomer. Det har imidlertid vist sig, at antallet af neutroner kan variere. Pa figur 7 ses modeller af de to slags lithiumatomer, man finder i na turen. Man siger, at naturligt lithium bestar af to isotoper, og de betegnes:

grundstof nr. 104 navnet

6L· 3 I og ~Li

rutherfordium med det kemiske symbol Rf.

" "... ~~~'i·itkrebtd

mi.,. ).ii'A4tt'\" a'l"'.

Nederst foran det kerniske symbol skriver man atomnummeret Z.

'1''"$

)tft#

\'3.'

',;1

t¥£?ffFaW'-h&1't''t'd

:,1tn, wn''''

lEt

Grundsto!!er

• -

Tabel1. Data for de

Elementarpartikel

Ladning

Masse

Proton

+ 1 (e)

1,OO73u

V!"II

•

Antalsbetegnelse

elementarpartikler, som atomerne bestar af.

Neutron

Elektron

-1 (e)

1,OO87u

O,OOO55u

(Z)

Tallet foroven kaldes nukleontallet, og det betegnes A. Nukleoner (kernepartikler) er en f~lles betegnelse for protoner og neutroner, og nukleontallet er naturligvis summen at protontallet Z og neu trontallet N

A=Z+N

~Li indeholder 3 protoner og 4 neutroner. Man kan nojes med at

skrive 7Li (»lithium-syv«), da det er givet, at atomnummeret er lig med 3, nar man har skrevet det kemiske symbol Li. Figur 7. Simple atom modeller af de to naturligt forekommende lithiumisotoper.

fLi

;Li

Nukleoner har som n~vnt en masse pa ca. 1u hver, mens elektro nens masse er ubetydelig i forhold hertH. Massen at et ~Li-atom bliver derfor ca. 7u, svarende til at nukleontallet er lig med 7. Nukleontallet A kaldes ogsa atomets massetal. De to lithiumatomer pa figur 7 har identiske elektronsystemer, dvs. de to atomer er identiske i den del at atomet, som vender ud mod andre atomer. Det er elektronsystemet, som bestemmer de ke miske egenskaber, og de to lithiumisotoper har derfor ens kemi ske egenskaber. Vi kan sige, at et grundstof bestar at atomer, som er kemisk set ens. Pa figur 7 er der tegnet to elektroner iforste skal og en elektron i anden skal. Indtil videre vil vi benytte denne simple skalmodel at atomet. 7,42% at antallet at lithiumatomer i naturligt forekommende lithi um er ~Li, og de resterende 92,58% er ~Li. Et grundstofs iso

Grundstoffer

topsammenscetning er stort set den samme overalt pfl Jorden. Lithiums isotopsammenscetning afhcenger altsa hverken at finde sted eller lithiummineralets kemiske sammenscetning. Der er tre isotoper at grundstoffet hydrogen, men kun to at dem forekommer i naturen: ~H

99,985%

0,015%

Isotopfordelingen er anfert. 2H kaldes undertiden deuterium og 3H tritium. Disse isotopnavne hentyder til, at atomeme indeholder henholdsvis to og tre nukleoner. Tungt vand bestar at vandmoleky ler, som indeholder to deuteriumatomer. Tritium findes ikke i naturen. Tritiumatomet er radioaktivt, dvs. atomkemen er ustabil. Fer eller siden omdannes atomkemen under udsendelse at radioaktiv stnUing. Tritiums halveringstid er 12 ar. I en mcengde tritium vil halvdelen at antallet at tritiumatomer vcere omdannet efter 12 i'tr. Tritiumatomeme omdannes til ~He.

Opgave 5. Angiv antallet af protoner, neutroner og elektroner i f01gende atomer:

Opgave 6. '~c (»kulstof- 14«) er radioaktiv. Under udsendelse af radioaktiv striding omdannes l~C til 'jN. Hvilken forskel er der p~ disse to atomers opbygning?

Atommasse Atomers masse males i enheden u, der er defineret sMan: 1u =

l2 at l~C-atomet<; masse

Et l~C-atom far dermed massen prcecis 12u. Protonens og neu tronens masse er begge lidt over 1u (se tabell side 15). l~C bestar at 6 protoner, 6 neutroner og 6 elektroner, og den samlede masse for disse 18 partikler er over 12u. Her er noget, som ikke stemmer, idet l~C-atomet som ncevnt definitionsmcessigt har en masse pfl prce cis 12u. Forklaringen er, at masseme i tabel 1 er bestemt ved at mflle pfl de elementarpartikler. Det viser sig, at protoneme og neutro

-,.,_~\'±dW~d ·':eftlitww !ft .

•

::1.0.

...

"'.

Grundsto//er

nerne mister ca. 1% af deres masse, nar de bindes sammen i en atomkerne. Dette massetab kan forklares ved hjcelp af relativitets teorien. Man kan altsa ikke beregne et atoms nojagtige masse. Man rna male massen, og det sker med et apparat, som kaldes et mas sespektrometer. Med et massespektrometer kan man male bade de enkelte atomers masse og grundstoffernes isotopsammenscet ning. For carbon finder man: l~C

l~C

98,892%

1,108%

12,OOOOOu

13,OO336u

Indholdet af den radioaktive isotop l~C (carbon-14) er sa for svindende lille, at det er uden betydning i denne sammenhceng. Af de anforte masser er det kun 13C-atomets masse, der er en malt storrelse, idet 12C-atomets masse som ncevnt definitionsmcessigt er fastsat til 12u. En kemiker arbejder nonnalt ikke med atomerne enkeltvis. Hvis man f.eks. anvender 2 gram carbon, har man ca. 1023 C-atomer. Nar man arbejder med et uhyre stort antal atomer, er det mindre vcesentligt at vide, hvad et 12C-atom og et BC-atom vejer. Det af gorende er den gennemsnitlige masse pro carbonatom. For at beregne gennemsnitsmassen betragter vi 100000 C-ato mer. Ifolge den anforte isotopfordeling drejer det sig (statistisk set) om 98892 12C-atomer og 1108 13C-atomer. Gennemsnitsmas sen er den samlede masse af disse atomer divideret med antallet: 98892 ·12,00000u + 1108 ·13,00336u = 12,011 u

100000

Hvis vi forst dividerer med 100000, kan udregningen skrives: 98,892 .12,00000u + 1,108 .13 00336u = 120llu

100 100' ,

Her kan man direkte se, hvordan den procentvise isotopfordeling indgar ved udregningen af gennemsnittet. Den udregnede gen nemsnitsmasse kaldes carbons atommasse. Et grundstofs atommasse er gennemsnitsmassen af atomerne i grundstoffets naturlige isotopblanding. Da carbons isotopfordeling varierer lidt fra sted til sted, angives atommassen med kun 3 decimaler.

Grundsto//er

Opgave 7.Der er tre oxygenisotoper i naturen: l~O

l~O

99,759%

0,037%

0,204%

15,99492u

16,99913u

17,99916u

Beregn oxygens atom masse.

Grundstoffernes periodiske system

Nogle grundstoffer ligner hinanden meget. Det drejer sig f.eks.

om natrium (Z = 11) og kalium (Z = 19). Natrium og kalium er

blode metaller, som man let kan sk~re igennem med en kniv.

Smeltepunktet er lavt (98°C for Na og 63°C for K). De to metaller

reagerer s~rdeles voldsomt med vand og med en r~kke andre

stoffer, Formlerne for de kemiske forbindelser ligner ogsa hinan

den, f.eks.:

NaCl

KCI

Forlader vi Na og K og gar en op i atomnummer, kommer vi til magnesium (Z = 12) og calcium (Z = 20). Igen har vi to grund stoffer med stor indbyrdes lighed. De er begge metaller, og deres smeltepunkter er forholdsvis hoje (650°C for Mg og 840°C for Ca). De er ret reaktionsdygtige, men de reagerer ikke n~r sa voldsomt som natrium og kalium. Eksempler pa kemiske forbindelser af magnesium og calcium: MgO

CaO

Dimitrij Mendelejev 1834-1907

Russisk kemiker, som i 1869 opstillede det

f0rste anvendelige perio diske system. Det rum mede de 63 grundstoffer. man kendte dengang. Grundstof nr. 101 er opkaldt efter Mendelejev.

Igen ser man, at de kemiske formler ligner hinanden, men disse formler ligner ikke formlerne for de tilsvarende natrium- og kaliumforbindelser. I 1860'erne provede flere forskellige kemikere at opstille grundstofferne i et system. Det forste anvendelige periodiske sy stem blev opstillet af russeren Dimitrij Mendelejev i 1869. Tabel2 er en gengivelse at Mendelejevs system. Her er grundstofferne op stillet i r~kkefolge efter voksende atommasse. Grundstoffer, som ligner hinanden, er placeret pa samme vandrette r~kke. Eeks. star natrium og kalium i samme r~kke. Derimod er det ikke lykkedes Mendelejev at placere calcium i samme vandrette r~kke som mag nesium. Lreg m~rke til, at Mendelejev »snod« nogle steder. Han matte

Grundstoffer

label 2. En gengivelse af Mendelejevs periodiske system fra 1869. Bemcerk den uprcecise skrivemade. Det kemiske symbol kan naturligvis

H=1

ikke vcere lig med atom massen.

Li = 7

Be=9,4 B = 11 C= 12 N= 14 0= 16 F = 19 Na=23

Ti=50 v= 51 Cr= 52 Mn=55 Fe= 56 Ni = Co = 59 Cu=63,4 Mg=24 Zn =65,2 AI =27,4 ?=68 Si =28 ?=70 P= 31 As=75 5=32 Se=79,4 CI = 35,5 Br=80 K=39 Rb=85,4 Ca=40 Sr = 87,6 Ce=92 ?=45 ?Er = 56 La=94 ?Yt=60 Di=95 ?In = 75,6 Th=118?

Zr=90 Nb=94 Mo=96 Rh = 104,4 Ru = 104,4 Pd = 106,6 Ag = 108 Cd = 112 Ur = 116 Sn = 118 Sb= 122 Te= 128? J = 127 Cs = 133 Ba = 137

? = 180 Ta = 182 w= 186 Pt=197,4 Ir = 198 Os=199 Hg =200 Au = 197? Bi=210?

TI=204 Pb=207

f.eks. bytte om pa rCEkkefelgen af tellur (atommasse 128) og iod (atommasse 127) for at fa de to grundstoffer placeret i de vandrette rCEkker, hvor de herte hjemme ifelge deres kemiske egenskaber. Endvidere bemCErker man de tomme pladser i systemet. Men delejev mente, at disse pladser tilherte grundstoffer, som endnu ikke var opdaget. Eeks. mangler der ifelge Mendelejev et grund stof med atommassen 68 og et andet med atommassen 70. Men delejev kunne forudsige en rCEkke af disse grundstoffers egen skaber, og det var medvirkende til, at man inden for en kort ar rCEkke fandt de manglende grundstoffer. Vi forlader nu Mendelejevs system og gar over til at se pa en moderne opstilling af det periodiske system som vist bagest i bo gen. Grundstofferne er nu opstillet i rCEkkef"'lge efter voksende atomnummer, dvs. efter voksende antal protoner i atomkernen. Hy drogen med Z = 1 star f",rst, sa kommer helium med Z = 2, lithium medZ = 30sv. De vandrette rCEkker i det periodiske system bag i bogen kaldes perioder. De er lavet sa lange, at grundstoffer, som ligner hinanden, kommer til at sta under hinanden. Kalium star neden under natri um, og calcium star under magnesium. Det fantastiske er, at det »gar op« over det hele. Det skal dog bemCErkes, at hydrogen ikke passer sCErlig godt ind i systemet. De lodrette sejler kaldes grupper, og gnmdstofferne i en gruppe ligner altsa hinanden. De lange grupper kaldes hovedgrupper, og de

•:tWffl!:r#g·,,,,,,,,.,.. '".

»'

db>

~ ., ,..

Grundstoffer

Figur 8. Hovedgrupper

VIII .---

og undergrupper. Under

III

V VI VII

grupperne er markeret med grato Hovedgruppernes numre

er anf0rt. ~L

Ii·

(

korte kaldes undergrupper. Pa figur 8 er undergruppeme markeret med grato I overensstemmelse med scedvanlig praksis nummererer vi ho vedgruppeme med romertal og undergruppeme med romertal efterfulgt at bogstavet a. Hovedgruppe I viI vi omtale som 1. hoved gruppe, mens undergruppe Ia kaldes 1. undergruppe osv. Nogle at hovedgruppeme har specielle navne. Grundstoffeme i 7. hovedgruppe kaldes halogenerne. Halogen betyder saltdanner. Grundstoffeme i 1. hovedgruppe (undtagen hydrogen) kaldes al

kalimetallerne. Grundstoffeme i 8. hovedgruppe kaldes de redle gasser. Aile grundstoffeme i denne gruppe er nemlig gasser og de kaldes redle, fordi de er meget reaktionstrcege. I 1962 lykkedes det for f0rste gang at fremstille en kemisk forbindelse at en cedel gas, og til dato er der kun fremstillet fa forbindelser at de cedle gasser, hovedsage lig at xenon. Et »molekyle« at en cedel gas bestar at et enkelt atom. Dette er endnu et tegn pa cedelgassemes modvilje mod at danne kemiske bindinger. I de fleste tilfcelde sker der en gradvis udvikling ned gennem en hovedgruppe. I tabel 3 ser man, hvordan egenskabeme cendres, nar man gar ned gennem 7. hovedgruppe. Bemcerk den gradvise cendring at smeltepunkt, kogepunkt og udseende. Der sker ret store cendringer i den kemiske reaktionsdygtighed, nar man gar ned gennem denne hovedgruppe. Fluor reagerer

I label 3. Nogle egen

Navn

Formel Udseende ved stuetemperatur

Smeltepunkt

Kogepunkt

Fluor

Iysegul gas

-220°C

-188°C

uhyre stor

ehlor

el 2

gulgmn gas

-101°C

-34°C

meget stor

skaber for grundstofferne

i 7. hovedgruppe. Hovedgruppen rum mer desuden det meget sjoeldne grundstof astat.

Brom

Br2

r0dbrun voeske

-JOe

59°C

lod

sorte krystaller

114°C

184°C

',::'ten';

Kemisk reak tionsdygtighed

stor moderat

srle, ·,·st

Grundstoffer

srerdeles voldsomt med nresten alt, hvorimod iod er et ret fredsom meligt stof. I det periodiske system bag i bogen ser man nederst to rrekker grundstoffer, som kaldes lanthanoider og actinoider. De skal placeres i forlrengelse af henholdsvis lanthan (Z = 57) og actinium (Z = 89), og de minder srerdeles meget om disse to grundstoffer. De er trukket ud som to srerlige rrekker for at gore systemet smal lere og mere overskueligt. Man kender for tiden (1994) grundstofferne med numrene fra 1 til 109. Af disse findes de 90 »i naturen«. Resten (or. 43, 61 og 93 til 109) er fremstillet ved atomkernereaktioner. Man kan lave nye grundstoffer ved at beskyde en tung atomkerne med en let atom kerne, som er accelereret op til stor fart. Hvis de to atomkerner bliver hrengende sammen, har man faet en ny atomkerne, hvis atomnummer er summen af de to kolliderende kerners atom numre (se figur 9).

·1

Figur 9. Et sammenstod mellem to atom kerner, som forer til dannelse af en ny atomkerne. Kun hvis sammenstodet er meget voldsomt, kommer de to kerner sa teEt

hinanden, at de kan blive heEngende sammen.

Fremstillingen af nye grundstoffer heoregnes under fysikken, da forsogsbetingelserne er meget forskellige fra de forsogsbetingel ser, man anvender ved kemiske forsog. De energimrengder, der omsrettes ved en grundstofomdannelse, er meget storre end de energiomsretninger, man kender fra kemiske reaktioner. Ved en kemisk reaktion sker der rendringer i atomemes elek tronsystemer, hvorimod atomkemerne ikke rendres. Atomernes art og antal bevares ved kemiske reaktioner, jrevnfor afstemningen af reaktionsskemaer. De kunstigt fremstillede grundstoffer er aIle radioaktive, og for grundstofferne med de hojeste atomnumre greIder, at atom kemerne har meget kort halveringstid. Disse grundstoffer har der for ikke sa stor kemisk interesse. En del naturligt forekommende grundstoffer er ligeledes radio aktive. Der er slet ingen stabile isotoper af grundstofferne med atomnummer over 83. Fra grundstof or. 104 anvender man indtil videre en systematisk navngivning af grundstofferne. Det systematiske navn dannes af

'~.i ·

....

•

.L~-l;';-

·ie'

Grundstoffer

.': . r< , r

,'~

f""

.~; ~

ciirene i atomnummeret. Nummer 104 hedder efter dette system unnilquadium (un-nil-quadium) med det kemiske symbol Unq, mens or. 105 hedder un-nil-pentium (Unp). Hermed har man ind fort atomtegn, som bestar af tre bogstaver. Op til or. 104 bestar atomtegnet af et enkelt stort bogstav (f.eks. H), eller et stort bogstav efterfulgt af et lille bogstav (f.eks. Na). En rcekke almindelige grundstoffer har specielle danske navne, f.eks. brint, ilt, kvcelstof og kulstof. En kemiker foretrcekker at kal de disse grundstoffer hydrogen, oxygen, nitrogen og carbon. Her i bogen bruges de kemiske grundstofnavne konsekvent, men i tale sprog bor man jcevnligt bruge de gamle danske grundstofnavne, sa man ikke mister forbindelsen til dagligdagens sprogbrug.

Opgave 8. Forklar forskellen pa de kemiske formler Co og CO.

Opgave 9. Med systematisk navngivning skal grundstof nr. 110 hedde

un-un-nilium med det kemiske symbol Uun. Man planlaegger at fremstille dette grundstof ved sammenstod mellem en nikkelkerne og en blykerne. Forklar. at et sammenstod mellem disse to atomkerner kan fore til dannelse af en kerne af grundstof nr. 110.

Atomernes elektronsystem I 1913 opstillede Niels Bohr en teori for atomets elektronsystem. I overensstemmelse med Bohrs teori viI vi forestille os, at elektro nerne fordeler sig i skatler uden om atomkernen. Opbygningen af elektronsystemet bestemmer grundstoffets ke miske egenskaber. Specielt er antallet af elektroner i yderste skal afgorende for egenskaberne. lEdelgassernes atomer har et sa;rligt stabilt elektronsystem, og derfor mangler de tilbojeligheden til at danne kemiske bindinger. I skal or. n kan der maksimalt vcere 2· n 2 elektroner. Skal or. 1 (n = 1) kan altsa rumme 2 elektroner, og i 2., 3. og 4. skal kan der maksimalt vcere henholdsvis 8, 18 og 32 elektroner (se figur 10). Den inderste skal kaldes ogsa K-skallen, 2. skal kaldes L-skallen, 3. skal M-skallen osv. Elektronerne fordeler sig i skalleme pa en sadan made, at ato mets energi bliver sa lav som muligt. Man kunne tro, at skallerne blot blev fyldt op med elektroner indefra, men sa simpelt er det ikke. Skallerne (bortset ira 1. skat) er i virkeligheden delt op i un

Grundstoffer

ystem Unq,

n ind )estar stort

Figur 10. Det maksi male antal elektroner i de fire forste skaller.

lavne,

at kal . Heri i tale TIe, sa

derskaller, og forholdene kompliceres yderligere at frast0dningen mellem elektronerne i atomet. Vi vil koncentrere os om de f0rste 20 grundstoffer. Grundstof nr. 1, hydrogen, har sin elektron i 1. skal (inderste skal). Helium er grundstof nr. 2, og heliumatomet har begge sine elektroner i inder ste skal, som dermed er fyldt. Denne elektronstruktur er scerligt stabil, jcevnf0r at helium er en cedel gas. Fra grundstof nr. 3 til grundstof nr. 10 fyldes 2. skal (2. periode i det periodiske system):

tille ne.

lnelse

:tem. I lektro Niels Bohr ~ts

1885-1962 Dansk fysiker, som i 1913

e skal ,(Erligt 1 til at

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

Atomernes elektronstruktur er anf0rt. Elektronstrukturen 2,1 betyder, at der er 2 elektroner i 1. skal og 1 elektron i 2. skal. Ogsa her er strukturen med fyldt skal scerlig stabil, svarende til cedelgas sen neon. Derefter fyldes 3. skal op til 8, hvorved vi far 3. periode i det periodiske system:

2,8,1

2,8,2

2,8,3

2,8,4

2,8,5

2,8,6

2,8,7

2,8,8

fremsatte en teori for atomernes elektron system. Bohrs teori

1 nr. 1 mder Ir 10). lIen, 3.

forklarer bl.a., hvad der sker, nar atomer udsender Iys. Niels Bohr fik nobelprisen

Argon med 8 elektroner i yderste skal er en cedel gas. De f0lgende cedle gasser har ogsa 8 elektroner i yderste skal. Sk0nt 3. skal endnu ikke er fyldt, sker den videre opfyldning i 4. skal:

2,8,8,1

2,8,8,2

i fysik i 1922. Der er frem

at ato tHeme er det pi un-

sat forslag om at give grundstof nr. 107 navnet

~.s:iij

nielsbohrium med det kemiske symbol Ns.

Det er f0rst og fremmest antallet at elektroner i yderste skal, der bestemmer de kemiske egenskaber. Grundstofferne i en gruppe ligner hinanden, fordi de har samme antal elektroner i yderste skal. Pa figur 11 pa nceste side er antaHet at elektroner i yderste

Grundstoffer

Figur 11. Prikkerne viser

c---

antallet af elektroner i

VIII

c---

H·

:He

III

yderste skal. Antallet er lig med nummeret for

Li·

·Be·

Na·

·Mg·

K·

·Ca·

. ·C·· ·N· .. :0· .. .

. ·

. · • .. p. : ..S· ·AI· • Si· · . . • B·

den pagiEldende hovedgruppe.

VII

.. :Ne: ..

.. .. .. ..

:F·

.. :Ar: ..

:CI·

skal vist med prikker. Felgende regel grelder for aIle hovedgruppe grundstoffer undtagen helium: For hovedgruppegrundstoffer greIder, at antal elektroner i yderste skal er lig med hovedgruppens nummer. Hver gang man begynder pa en ny periode (en ny rrekke), starter man pa en ny skal. I 1. periode er 1. skal den yderste skal, i 2. peri ode er 2. skal yderste skal osv.

Periodenummeret angiver nummeret pa den yderste skal i det neutrale atom.

I vores gennemgang af elektronstrukturen kom vi til grundstof or. 20 (calcium), der har elektronstrukturen 2,8,8,2. Fra grundstof or. 21 til or. 30 passerer man hen gennem undergrupperne. Vi nejes med at se pa elektronstrukturen for or. 21 og or. 30: Sc

2,8,9,2

2,8,18,2

Herr gennem undergrupperne sker elektronopfyldningen i nmst yderste skal, som fyldes op fra 8 til 18 elektroner. Hvis man studerer tabellen side 179-181, ser man, at der er nogle uregelmressigheder, men de fleste undergruppegrundstoffer har 2 elektroner i yderste skal. Derfor er der visse ligheder mellem undergruppegrundstof ferne, f.eks. er de aIle metaller. Vi skal ferst og fremmest interessere os for hovedgrupperne. Som allerede papeget har redelgassernes atomer et srerlig stabilt elektronsystem:

:He

...... .' drNw rt•.

tin

:Ne: ••

:Ar:

: Kr:

••

:Xe:

.. ..

:Rn:

'5t

Grundsto!!er

Bemrerk, at elektronerne horer sammen to og to i elektronpar. De ovrige hovedgruppegrundstoffer danner som regel bindinger pa en sadan made, at de opmlr et elektronsystem, som svarer til en redel gas. Denne regel kaldes oktetreglen eller cedelgasreglen. I det periodiske system bag i bogen er der tegnet en trappelinje. Grundstofferne til venstre for trappelinjen er metaller, mens ikke metal/erne star til hojre for trappelinjen. De fleste grundstoffer er altsa metaller. Der er naturligvis en glidende overgang fra metaller til ikke-metaller. Pa overgangen star de sakaldte halvmetaller, som bade har metalegenskaber og ikke-metalegenskaber. Det drejer sig f.eks. om silicium, germanium, arsen og tellur. Det karakteristiske for metallerne er forst og fremmest deres elektriske ledningsevne og deres metalglans. Der er imidlertid ogsa kemiske forskelle mellem metaller og ikke-metaller. Metallerne har relativt fa elektroner i yderste skal, og som vi skal se i nreste kapitel, har metalatomer tilbojelighed til at afgive elektroner. Ikke metallerne har relativt mange elektroner i yderste skal, og de har tendens til at optage elektroner.

:.· •.•.1 .•.•••. .·.·

-5

-I

Opgave 10. Betragt folgende roekke grundstofter: K, P, NecC, Ba, Se og Cr. a) Hvilke af disse grundstoffer er ikke-metaller? b) Hvilket af de noevnte grundstofter minder kemisk set om svovl?

, I ,

Opgave 11. Et atom har 5 elektroner i yderste skal, og 4. skal er yderste skal. Hvor star det pagoeldende grundstof i det periodiske system?

Grundstoffernes forekomst Vore omgivelser bestar af en lang rrekke forskellige stoffer. Nre sten aile disse stoffer er kemiske forbindelser. Kun nogle fa af grundstofferne findes som/rie grundstoffer i naturen. A<:delmetallerne guld, solv og kviksolv er eksempler pa grund stoffer, der findes frit i naturen. Man kan ogsa vrere heldig at finde frit carbon i form af diamanter. Desuden findes frit carbon som grafit. Frit svovl kan findes ved vulkaner, og desuden er der flere steder i verden betydelige underjordiske forekomster af frit svovl. Der er ogsa frie grundstoffer i atmosfreren, nemlig nitrogen, oxygen, argon og mindre mrengder af de ovrige redelgasser. Det er naturligvis en umulig opgave at nrevne alle de kemiske forbindelser, som findes i yore omgivelser. Vi rna nojes med at an-

L,..

'..

-. . _ Jol>iiiil

I , ).t'¢tM it t1M;tfthf

rtfttt,,-.>

,_t+jtrt'l

Grundstoffer

give grundstofsammens<etningen. Tabel 4 viser sammens<etnin gen af den tilg<engelige del af jordkloden; det er atmosfceren, havet og jordskorpen (ned til 16 kilometers dybde). Grundstofsammen s<etningen er angivet i procent regnet efter masse. Tabel4. Grundstoffernes

49,4%

Mg 1,9%

0,048%

0,018%

forekomst i den tilgCEn-

25,8%

0,88%

0,047%

0,017%

gelige del af jordkloden

7,5%

0,58%

0,033%

0,016%

angivet i procent efter

4,7%

0,19%

0,030%

0,010%

masse.

3,4%

0,12%

0,027%

0,006%

2,6%

0,087%

0,023%

0,005%

2,4%

Mn 0,085%

0,020%

0,005%

Oxygen og silicium udgor tilsammen ca. % af massen af den til g<engelige del af jordkloden, j<evnfor figur 12. Bjergarter er kemi ske forbindelser med et stort indhold af oxygen og silicium. For oxygens vedkommende har det ogsa betydning, at en v<esentlig del af jordkloden er d<ekket af vand. Oxygenatomet udgor nemlig ca. 89% af vandmolekylets masse. Oxygenindholdet i atmosf<eren har ikke sa stor betydning i denne sammenh<eng, da atmosf<erens masse er liBe. Figur 12. Diagram over

AI(7,5%)

Fe (4,7%)

5;(25.8%)

grundstofsammensCEt

CarJ.4%) Na(2.6%) .~ K(Z,4%)

ningen.

Mg(1.9%)

"vrige (2.3%)

0(49,4%)

Man bem<erker, at hydrogens forekomst er under 1%. Her skal man t<enke pa, at forekomsten er opgjort efter masse. Med sin liUe masse t<eller hydrogenatomet ikke sa meget. I universet som hel hed er hydrogen det dominerende grundstof. Stjernerne bestar overvejende af hydrogen. Opgave 12. Vis ved beregninger, at oxygen udgor ca. 89% af vands masse (anvend atommasserne for hydrogen og oxygen).

,"!

(

rtt?t "wnetWtnztdn't'W:i· #,dBMHr

ir'r't%1?'M

SrW

tihitlrlltttW '; :,.'Wr "

loner

Natriumchlorid Natriumchlorid har formlen NaC!. I daglig tale kaldes stoffet salt (kokkensalt, vejsalt m.m.). Vi skal i det folgende se mermere pa opbygningen at natriumchlorid. Grundstoffet natrium star i 1. hovedgruppe, og natriumatomet har 1 elektron i yderste skal. Denne elektron kan fraspaltes, hvor ved der dannes en natriumion:

En model at processen ses pa figur 13. Figuren viser, at Na+ har 8 elektroner i sin yderste skal. Dannelsen af Na+ er altsa i overens stemmelse med oktetreglen. Figur 13. Ved fraspalt ning af en elektron fra et natriumatom dannes en natrium ion. Elektronstrukturen er

8-+e

anfort under de kemiske formler.

Nc/ 2,8

Elektroner kan ikke eksistere frit. Natriumatomet kan kun atgive en elektron, hvis der er noget til stede, som kan optage elektroner. Et chloratom har 7 elektroner i yderste skal (7. hovedgruppe). Chloratomet kan optage en elektron, hvorved der dannes en chlo ridion:

Figur 14 pa meste side viser en model af denne proces. Man ser, at dannelsen at CI- ogsa er i overensstemmelse med oktetreglen. Det folger at disse bemcerkninger, at et natriumatom kan afgive en elektron til et chloratom:

Natriumchlorid bestar af ionerne Na+ og CI-, og stoffets formel skrives NaC!. Desuden skal vi huske, at chlor bestar af CI 2 -moleky

.~.

I '

Ion e r

Figur 14. Et chloratom optager en elektron og omdannes derved til en chloridion.

CI 2.,8, 7

<:)

CI 2,8,8

ler. Derfor skriver man normalt reaktionen mellem natrium og chlor saledes: 2Na + Cl 2

-->

2NaCI

Figur 15 viser opbygningen af natriumchlarid. Natriumioner og chloridioner er pakket t<et sammen i et regelm<essigt system, som kaldes et iongitter. Natriumchlorid danner krystaller med vinkler pa 90° mellem krystalfladerne. Den regelm<essige opbygning forts<etter gennem hele krystallen, som er et stort sammenh<en gende system af Na+ og CI-. Det er naturIigvis den elektriske til tnekning mellem Na+ og CI-, sam holder systemet sammen. Denne form for kemisk binding kaldes ionbinding. Figur 15. Opbygningen

af natriumchlorid. lonerne er pakket sam men sa teet som muligt i

et regelmeessigt system, som fortseetter gennem hele krystallen.

eNa+

Pa figur 16 ses nogle natriumchioridkrystaller. Desuden viser bille det en gittermodel af stoffel. I mods<etning til figur 15 er der tale om en »aben« model, sa man bedre kan se ionernes indbyrdes placering. Hver natriumion har 6 chloridianer som n<ermeste naboer. og pa tilsvarende made er hver chloridion omgivet af 6 natriumioner. Antallet af n<ermeste naboer af modsatte slags kaldes ionens koordinationstal. Bade Na+ og ct har koordinations tallet 6 i NaCI-gitteret. c" ....)£\!i't*-;'

itnrC,S"t 1 ft.,,' eeoc ddwt,n,'mef t

I:;

m ? r' l' i

Ion e r

Figur 16. Pa billedet ses

nogle natriumchlorid krystaller. Rcekken til hojre er udkrystalliseret omkring et stra. Desuden viser billedet en gittermodel af natrium chlorid.

fOrmelenhed Nael

m \-~-~

1 -

Figur 17. Model af et

lag i en NaCI-krystal. En formelenhed er den mcengde, som svarer til formlen.

En natriumchloridkrystal indeholder et uhyre stort antal ioner. Man kunne tro, at man skulle skrive stoffets formel NaooC!cx" idet der er tale om et sammenhcpngende system af »uendelig« mange ioner. Som bekendt skriver man blot NaCl. Denne formel angiver, at Na og Cl (Na+ og Cn indgar i stoffet i forholdet 1:1, dvs. stoffet indeholder lige mange Na+ og Cl-. Nogle stoffer bestar af molekyler. F.eks. bestar vand af molekyler med sammenscptningen H20. Et molekyle er en lille, selvstcpndig mcpngde stot. Natriumchlorid bestar ikke af NaCl-molekyler. Der er jo ikke tale om, at en enkelt Na+ er bundet sammen med en en kelt Ct. Hver Na+ er bundet sammen med 6 Cl- osv., og hele kry slallen er et stort, sammenha'ngende system. Enformelenhed af et stof er den m<engde af stoffet, som svarer til stoffets forme\. En formelenhed NaCl indeholder en Na+ og en Cl-, se figur 17. Da stoffet ikke bestar af molekyler, er det forkert at sige »et molekyle NaCk Det hedder »en formelenhed NaCk Salt er som ncpvnt en dagligdags betegnelse for stoffet NaCl. En kemiker bruger imidlertid ordet salt i en anden betydning. Et stof, som bestar af ioner, kaldes en ionforbindelse eller et salt. Opgave 13. Na+ indeholder 11 protoner og 10 elektroner (samt et antal

neutroner). Hvor mange protoner og elektroner er der i folgende ioner: A13+

52 -

Fe 2 +

Ca 2+

Hvilke af disse ioner har cedelgasstruktur?

H+

Ion e r

Salte med simple ioner Man skelner mellem simple ioner og sammensatte ioner. En simpel ion bestar kun af et enkelt atom (med for fa eller for mange elek troner). Na+ og CI- er eksempler pa simple ioner. Sulfationen, S042 -, er en sammensat ion, dvs. den bestar afjlere atomer, der er bundet sammen. Vi skal nu se pa dannelsen af simple ioner. Metalatomer afgiver elektroner og danner positive ioner, mens ikke-metallerne optager elektroner og danner negative ioner. De fleste hovedgruppegrundstoffer danner ioner i overensstem melse med redelgasreglen. Det betyder, at metalatomerne i 1. ho vedgruppe afgiver 1 elektron og danner ioner med en enkelt positiv ladning (f.eks. Na+). Atomerne i 2. hovedgruppe afgiver 2 elektroner og danner ioner med ladningen 2+ (Leks. Ca 2+), mens aluminium i 3. hovedgruppe danner AfJ+. Atomerne i 7. hovedgruppe optager 1 elektron og danner ioner med en enkelt negativ ladning (Leks. Atomerne i 6. ho vedgruppe optager 2 elektroner og danner ioner med ladningen 2 (Leks. 0 2-).

cn.

Pa figur 18 er nogle udvalgte ioner af hovedgruppegrundstoffer placeret i det periodiske system. Bortset fra Sn 2+ og Pb 2+ har aIle de anforte ioner redelgasstruktur. De vigtigste simple ioner af grund stoffer i hovedgrupperne. H+ er en ganske specie I ion. som ikke indgilr i salte, og den er derfor ikke taget med her. Den omtales n~rmere pi! side 121 og 137.

Figur 18.

VIII

,---

,.---

III

Li+

Be2+

Na+

M g2+

K+

Ca 2+

Rb+

5r 2+

5n 2+

Cs+

Ba 2+

Pb 2+

AP+

VII

0 2

F-

5e 2

Te 2

Man giver positive ioner navn ved at tilfoje endelsen -ion til metal lets navn. AP+ hedder en aluminiumion, Ba 2+en bariumion osv. De negative ioners navne dannes at ikke-metallets navn med til fojelsen -id, og ogsa her ender navnet pa -ion. Eeks. hedder C1- en chloridion. I nogle tilfrelde foretages en sammentrrekning, f.eks.

...,,",,-.

1(~ttrWf"ttt:"ti

db' . ' h.. : dint!:!

,.J

Ion e r

bliver oxygenid til oxid, nitrogenid til nitrid og phosphorid til phos phid:

o~-

oxidion

nitridion

phosphidion

Svovl danner ionen S2-, som kaldes en sulfidion. Grundstofferne fra undergrupperne er metaller, og de danner positive ioner. Som eksempel ser vi pa jern, der har atomnummer 26. Den nC£rmeste c£dle gas er argon (Z = 18). Et jernatom skal altsa afgive hele 8 elektroner, hvis der skal dannes en ion med c£delgasstruktur. De fleste af undergruppe-metallerne har ingen mulighed for at folge oktetreglen. Nedenfor er anfort nogle vigtige ioner fra undergrupperne: ~ Cr3+

Fe 2+

Cu+

Ag+

chrom (III) ion

jern(II)ion

kobber(I)ion

solvion

Mn 2+

Fe 3+

CU 2+

Zn~+

mangan (II) ion

jern (III) ion

kobber (II) ion

zinkion

Romertallene i navnene angiver ionladningen. Jern(II) udtales »jern-to« osv. Mange af grundstofferne i undergrupperne kan danne flere forskellige ioner, og derfor er det nodvendigt at angive ionladningen. Det er dog ikke nodvendigt at angive ionladningen i navnene for Zn 2+og Ag+. En zinkion har nemlig altid ladningen 2+, og bortset fra meget specielle forbindelser har en solvion altid lad ningen 1+. Kobber optrc£der normalt med ionladningen 2+. Man kan opskrive formlen for et salt, hvis man kender formlerne for de to ioner, som saltet bestar af. Vi tager magnesiumchlorid som eksempel: MgCl2 magnesiumchlorid

Som angivet bestar stoffet af ionerne Mg2+ og CI-. Da et stof naturligvis er elektrisk neutralt, skal Mg~+ og Cl- sc£ttes sam men til en neutral formelenhed. En Mg2+ og to Cl- giver en neutral formelenhed, og formlen skrives MgCI~. Formlen MgCI~ betyder ikke, at en magnesiumion er bundet til netop to chloridioner. Formlen betyder, at Mg~+ og Cl- indgar i et kc£mpemc£ssigt iongitter i forholdet 1:2. Stoffet indeholder dobbelt sa mange chloridioner som magnesiumioner. Ionerne skal sa:'ttes sammen til den simpleste neutrale formel enhed. Man ma ikke skrive Mg2C1 4 • Formlen for et salt skrives med den positive bestanddel forst.

...i......

loner

Saltets navn dannes af den positive ions navn efterfulgt af den ne gative ions navn, idet endelserne -ion udelades. Vi tager endnu et eksempel, nemlig stoffet jern (III) oxid: Fe203

jern (III) oxid

Med lidt {weIse kan man direkte opskrive stoffets formel uden at skrive ionerne forst. Opgave 14. Skriv formler for f01gende salte:

Bariumbromid, jern(ll)sulfid, jern(lIl)chlorid. aluminiumoxid, s0lvoxid,

kobber(l)oxid, kobber(ll)oxid. magnesiumnitrid og kaliumfluorid.

Eksempler pa salte Idette afsnit skal vi bl.a. se pa formler for salte, som indeholder sammensatte ioner. En sammensat ion bestar af flere atomer, som er bundet sammen. Nogle vigtige eksempler pa sammensatte ioner:

Nfl;

Figur 19. Modeller af

en ammoniumion og en hydroxidion.

SOi-

CO 32

hydroxidion

sulfation

carbonation

P043-

N0 3-

NH 4+

phosphation

nitration

ammoniumion

"!'

Det er nodvendigt, at disse seks formler og navne lceres udenad! Figur 19 viser modeller af to sammensatte ioner. Endelsen -id i hydroxid er meget uheldig, idet denne endelse an tyder, at der er tale om en simpel ion og ikke en sammensat ion. Sammensatte, negative ioners navne ender normalt pa -at. Hvis et grundstof dauner flere forskellige oxygenholdige ioner, angiver -it et lavere oxygenindhold end -at, Leks.: S032

SO/-

NO z

N0 3

sulfition

sulfation

nitrition

nitration

I tabellen side 184 er der anfort navne og formler for en del flere ioner. Aluminiumsulfat er et eksempel pa et salt, der indeholder en sammensat ion: Al2 (S04h aluminiumsulfat

Ion e r

labelS. Talforstavelser. 1 mono·

6 hexa

2 di

7 hepta

3 tri

a octa

4 tetra

9 nona

5 penta

10 deca-

label 6. Nogle vigtige

I aluminiumsulfatgitteret indgar Al3+ og SOl- i forholdet 2:3. Tre tallet g<elder for hele sulfatgruppen, som derfor star i parentes. I mange tilf<elde sidder der vandmolekyler mellem ionerne i et iongitter. Det kaldes krystalvand. Som eksempel kan n<evnes stof fet Na2S04 .10H 20, hvor der for hver 2 natriumioner og 1 sulfation sidder 10 vandmolekyler i gitteret. Prikken i formlen adskiller krystalvandet fra resten af formlen. Nar et salt med krystalvand skal navngives, bruger man tal forstavelserne i tabel 5 til at angive antallet af vandmolekyler i formelenheden. Na2S04 ·10H 20 hedder natriumsulfat decahydrat. Calciumchlorid hexahydrat har formlen CaCI2·6H 20. Det er et ek sempel pa krystalvand i et salt, som bestar at simple ioner. Normalt kan man ikke se pa et salt, om det indeholder krystal vand. Men hvis et salt med krystalvand opvarmes i et reagensglas, kan man bade se og h0re, at krystalvandet undviger fra gitteret. I forbindelse hermed <endres gitterstrukturen. Formel

Kemisk navn

Trivialnavn

NaCI

natriumchlorid

salt

k0kkensalt, vejsalt

NaOH

natriumhydroxid

aetsnatron, kaustisk soda

afl0bsrens, mange an vendelser som base

NaN0 2

natriumnitrit

Na2C03

natrium carbonat

soda

glasfremstill ing

Na2C03" 1OH 2O

natriumcarbonat decahydrat

krystalsoda

bl0dg0ring af vand

KN0 3

kaliumnitrat

salpeter

bestanddel af krudt

NH 4CI

ammoniumchlorid

salmiak

smagsstof i slik

NH 4N0 3

ammoniumnitrat

ammon salpeter

kunstg0dning spraengstoffer

Ca(N0 3h

calciumnitrat

kalksalpeter

kunstg0dning

CaC0 3

calciumcarbonat

kalk

kalkning af jord, fremstilling af cement og glas

FeS04· 7H 20

jern(ll)sulfat heptahydrat

jernvitriol

phosphatrensning af spildevand, mosfjer ner, jerntilskud til dyr

CuS04· 5H 20

kobber(lI)sulfat pentahydrat

blasten, kobbervitriol

sprojtning af traeer (draeber svamp)

salte.

Eksempler pa anvendelse

konservering af p01ser m.m.

Ion e r

Nogle salte krystalliserer aIdrig med krystalvand. Det gcelder f.eks. natriumchlorid. Tabel 6 pa forrige side indeholder en rcekke vigtige salte. Der er bade anf0rt saltenes systematiske kemiske navne og eksempler pa trivialnavne. Et trivialnavn er et usystematisk navn for en kemisk forbindelse.

Opgave 15. Skriv formler for folgende salte:

a) jern(lIl)nitrat

b) ammoniumcarbonat

c) magnesiumnitrat hexahydrat

d) bariumhydroxid octahydrat

Opgave 16. Skriv formler for kaliumsulfid, kaliumsulfit og kaliumsulfat.

Opgave 17. Giv folgende salte navn: a) Fe2(504h

b) (NH 4h50 4

c) Cu(N0 3h'3H 20

Opgave 18. Hvor mange protoner og elektroner er der i folgende ioner: b) NH 4+ a) 5Â°4 2c) OW

Saltes egenskaber Figur 20 viser en model af natriumchlorid i de tre tilstandsformer. Natriumchlorid er som bekendt et fast stof ved stuetemperatur, og som tidligere omtalt sidder ionerne i et iongitter. Ionerne har hver deres faste plads, men de sidder dog ikke helt stille. De vibrerer omkring deres ligevcegtsstillinger. Figur 20. Model af

natriumchlorid i de tre tilstandsformer.

fast stor

v(J!ske

gas

Hvis man opvarmer stoffet, bliver disse vibrationer kraftigere. Nar temperaturen kommer op pa natriumchlorids smeltepunkt (801Â°C), bryder iongitteret sammen, og ionerne kan bevcege sig rundt mellem hinanden. Stoffet er blevet flydende. Hvis man opvarmer det smeltede stof yderligere, bevceger ioÂ

Ion e r

nerne sig hurtigere rundt. Natriumchlorids kogepunkt er 1413°C, og i gastilstanden er stoffet splittet op i ionpar (Na+Cn. Disse ion par beveeger sig rundt mellem hinanden. lonbindingen er en shErk binding. loner hrenger godt sammen, og ionforbindelser har derfor hoje smeltepunkter og kogepunkter. Nogle eksempler er anfort i tabel 7. label 7. Smeltepunkt,

Stof

Smeltepunkt

Kogepunkt

Opl0selighed i vand (20"C)

1413°C

36,0 11,1

kogepunkt og vandopl0 selighed for nogle salte. ",VI

NaCI

801°C

K2S0 4

1069°C

1689°C

MgO

2800°C

3600°C

PbBr2

373°C

916 C

gl100g vand

0,0006 0,85

Det kreever altsa en kraftig ophedning at fa et salt til at smelte og koge. Mange salte kan ikke tale ophedningen. De dekomponerer, dvs. de spaltes til to eller eventuelt flere stoffer (se opgave 21). Ved forsoget pa figur 21 undersoger man, om et salt er elektrisk ledende. Der anvendes en jeevnspeendingskilde, og elektroderne er af grafit. Forsoget udfores med bly(II)bromid, da dette stof har et lavere smeltepunkt end f.eks. natriumchlorid. Figur 21. Elektrolyse af

r----o +

smeltet bly(ll)bromid.

kafode

anode

Pb~_

.. ,

I>,.J

Man konstaterer, at det faste staf ikke er elektrisk ledende. lonerne sidder fast i iongitteret. Nar stoffet smelter, kan ionerne beveege sig, og stoffet bliver elektrisk ledende. Som vist pa figur 22 pa neeste side vandrer blyionerne mod den negative elektrode. Pb 2+optager to elektroner fra elektroden: Pb 2+ + 2e-

loner

Efter et stykke tid kan man se, at der ligger en klump bly pa

bunden. Bromidionerne vandrer mod den positive elektrode og afgiver hver en elektron til elektroden. Der dannes bromatomer, som derefter slar sig sammen to og to til molekyler:

1- - - e

Figur 22. BevCEgelsen af

efterfulgt af Den dannede brom viser sig som en brunlig gas. Forsoget udfores i stinkskab. Ved forsoget sker der en elektrolyse af bly(II)bromid, dvs. en spaltning under medvirken af en elektrisk stmm. Man kan skrive et reaktionsskema for totalprocessen:

ioner og elektroner ved elektrolysen af smeltet bly(ll)bromid.

Idette reaktionsskema er stoffernes tilstandsfonn angivet. Reak tionsskemaet fortceller, at flydende bly(II)bromid omdannes til fly dende bly og gasformig bromo Der anvendes folgende tilfojelser til kemiske formler: (s)

(1)

(g) (aq)

.•

fast stof vmske gas

i vandig oplosning

Man kan huske betydningen af (s) og (1) ved at tcenke pa de engelske ord solid og liquid. Vand hedder aqua pa latin, jcevnfor ordet akvarium. Nar et salt er smeltet, kan ionerne bevcege sig. Ved elektrolyse bevceger de sig pa en ordnet made, sa der tranporteres en elek trisk ladning gennem det smeltede salt. I metaller (og i grafit) sker ladningstransporten ved hjcelp af elektroner. Den positive elektrode ved en elektrolyse kaldes anoden og den negative katoden. Negative ioner bevceger sig mod anoden og kaldes derfor anioner. Positive ioner kaldes kationer, men da det er svcert at huske, hvad der er hvad, vil vi ikke bruge disse gam meldags betegnelser. Figur 23 viser en model af, hvad der sker, nar natriumchlorid oploses i vand. Processen kan skrives: NaCI(s)

NaCl(aq)

Nar stoffet oploses, nedbrydes iongitteret. Ionerne skilles fra hin anden og bevceger sig rundt i oplosningen uafhcengigt af hinanden.

~"'&'.'T*Mwwm)~e~~=j~:vedal~~::!C:S::t'" ' ' ' , ', J

Ion e r

NaCl(s)

Na+(aq) + Cnaq)

Hvis man lader vandet fordampe fra op10sningen, far man fast natriumchlorid igen. Eventuelt kan man inddampe opllJsningen, dvs. man koger vandet af. Model af pro (essen: NaCI(s) ~ Na+(aq) + Cr(aq).

Figur 23.

,--,

. . .-:::'

'-'

Ionerne kan som ncevnt bevcege sig rundt i opllJsningen. Derfor er opllJsninger af salte elektrisk ledende. Natriulllchlorid er letoploselig i vand. Der kan opllJses 36,0 g NaCl i lOOg vand ved 20°C. Derimod er slJlvchlorid tungtopllJselig i vand, idet der kun kan opllJses 1,S·lO-4g AgCl i lOOg vand (20°C). En rcekke almindelige saltes opllJselighed i vand fremgar af tabel 8. Tabellen skelner mellem letopllJselige og tungtopllJselige salte. Der star L i det felt, som svarer til Na+ og Cl-, dvs. denne kombina tion af ioner giver en letopllJselig forbindelse (NaCl). Derimod star der T ud for Ag+ og Cr-, og denne ionkombination (AgCl) er tungt opllJselig. Bortset fra meget sma mcengder kan Ag+ og Cl- ikke eksistere sammen i en opllJsning. Nogle saltes oploselighed i vand ved 20°C.

NH 4 + Na+

label 8.

K+ Mg2+ Zn 2+ cu 2+ Fe 2+ Fe 3+ Ca 2+ Ba 2+ Pb 2 + Ag+

N0 3

el-

sol-

CO/

P0 4 3

L·

Lbetyder letoploselig. T betyder tungtoploselig, og - angiver, at stoffet ikke eksisterer. Grcensen mellem Log T er sat ved 2g oplost stof i 100g vand.

Ion e r

Ud fra tabel 8 kan man formulere f0lgende oploselighedsregler: 1. Natrium-, kalium- og ammoniumsalte er letopl0selige. 2. Nitrater er letoploselige. 3. Mange chlorider, bromider, iodider og sulfater er letopI0se1ige.

Opgave 19. Natrium fremstilles ved elektrolyse af smeltet natriumchlorid.

Skriv reaktionsskemaer for elektrodeprocesserne.

Opgave 20. Skriv formler for f01gende stoffer: S0lvsulfat. s0lvsulfid. barium

nitrat. bly(lI)sulfat og zinkchlorid.

Hvilke af disse stoffer er letopl0selige i vand?

Opgave 21. En del salte dekomponererved ophedning, dvs. at saltet spaltes

til andre stoffer.

a) Ammoniumnitrat dekomponerer ved ophedning tillidt over 200°C. Stof

fet spaltes til dinitrogenoxid (N 20. lattergas) og vanddamp. Afstem reak

tionsskemaet:

NH 4 N0 3

--?

N20 + H20

b) Ved pludselig ophedning kan ammoniumnitrat eksplodere. idet stoffet spaltes til nitrogen, oxygen og vanddamp. Afstem reaktionsskemaet: NH 4 N0 3

--?

N2 + 02 + H2 0

Ammoniumnitrat (ammonsalpeter) har tidligere VCEret anvendt som kunst g0dning. I 1947 udbr0d der i Texas brand pa et skib, som var lastet med ammoniumnitrat, og hele lasten eksploderede. Et par uger senere eksplo derede to skibe lastet med ammoniumnitrat i Sortehavet. Man anvender sta dig ammoniumnitrat som kunstg0dning, man nu er stoffet stabiliseret ved tilsCEtning af kalk. Denne kunstg0dning kaldes kalkammonsalpeter. SprCEngstoffer, som anvendes til civile formal, indeholder fra 60 til 95% ammoniumnitrat.

Freldningsreaktioner Ved forsoget pa figur 24 hcelder man en oplosning at AgN0 3 ned i en opl0sning af NaC!. Nar man h<elder de to opl0sninger sammen, blander man ionerne: CI-{aq)

Ion e r

Som neevnt er Ag+ og CI- en tungtopl0selig kombination, dvs. at st0rre meengder af disse ioner kan ikke eksistere sammen i en opl0sning. Ionerne gar sammen i et iongitter: Ag+(aq) + Cnaq)

AgCI(s)

Der dannes et bundfald af fast s0lvchlorid, og reaktionen kaldes en fa?ldningsreaktion. Man kan frafiltrere bundfaldet, og dermed har man fremstillet stoffet s0lvchlorid.

---?

Figur 24. Model af reak tionen: Ag+(aq) + CI-(aq) ---?

AgCI(s).

Na/'lO, (aq)

Na+ og N0 3 - befinder sig i vandig opl0sning bade for og efter reaktionen, mens Ag+ og CI- efter reaktionen sidder sam men i et gitter.

AgCJ(s)

Man taler om bundfald, selv om krystallerne er sa sma, at de holder sig sveevende i veesken. Et bundfald beh0ver ikke ligge pa bunden. Vi mangler at redegore for ionerne Na+ og NO;]-. Det er en letoploselig kombination, og disse ioner holder sig i oplosningen. Det svarer til en opl0sning af stoffet NaNO;]. Ved fors0get heelder man oplosninger af AgN0 3 og NaCI sam men. I stedet for det simple ionreaktionsskema:

kan vi skrive et reaktionsskema med stofformler: AgN0 3 (aq) + NaCl(aq)

---?

AgCI(s) + NaN0 3 ( a q ) j

Hvis man skallave solvchlorid, beh0ver man ikke n0dvendigvis an vende AgNO:, og NaCI som udgangsstoffer. Man skal blot anvende et letoploseligt stof, som indeholder s0lvioner, og et letoploseligt stof, som indeholder chloridioner. I stedet for NaCl kan man f.eks. bruge BaCI 2, jeevnf0r tabel8 side 37. Vi tager et eksempel mere. Hvis man heelder opl0sninger af AgN0 3 og Na2S sammen, blander man ionerne:

Her er Ag+ og S2- en tungtoploselig kombination. Ved sammen

loner

blandingen udfceldes der s0lvsulfid ved f0lgende fceldningsreak足 tion:

Vi kan ogsa skrive et reaktionsskema med stofformler:

Nar man skriver reaktionsskemaer, skal man vcere meget omhygge1ig med f0rst at skrive de kemiske formler korrekt og derefter afstemme reaktionsskemaet ved at scette koefficienter loran formlerne. Man rna naturligvis ikke rette pa de kemiske formler for at fa reaktionsskemaet til at passe. Bemcerk, at den samlede elektriske ladning skal vcere den samme pa begge sider af pilen. I ionreaktionsskemaerne ovenfor star der et neutralt stof pa h0jre side. Summen af ionladningerne pa venstre side skal derfor vcere O.

Opgave 22. Hvad sker der, nar man hCElder en oplosning af natriumsulfat

sammen med en oplosning af bariumchlorid?

Skriv bade et ionreaktionsskema og et reaktionsskema med stofformler.

Opgave 23. Kobber(ll)hydroxid onskes fremstillet ved en fCEldningsreak足

tion. Skriv et ionreaktionsskema for fCEldningsreaktionen.

VCElg derefter to egnede udgangsstoffer og skriv et reaktionsskema med

stofformler.

Exoterme og endoterme reaktioner Vi skal beskceftige os lidt med energiomscetningen ved kemiske reaktioner. Man skelner mellem exoterme og endoterme reaktioner: Ved en exoterm reaktion a/gives energi. Ved en endoterm reaktion optages energi. Man kan bruge reaktioner med salte til at demonstrere de to typer reaktioner. Vi ser f0rst pa den reaktion, der sker, nar natrium足 hydroxid opl0ses i vand: NaOH(s)

---;0

Na+(aq) + OW(aq)

Nar man blander natriumhydroxidperler og vand og mrer rundt,

Ion e r

konstaterer man en kraftig temperaturstigning. Reaktionen er exo term. Den energi, som frigores ved reaktionen, bliver i forste I." omgang inde i systemet, og temperaturen stiger. Hvis man lader oplosningen sta, afkoles den naturligvis efterhanden, fordi den afgiver energi til omgivelserne. Som huskeregel kan man tcenke pa, at en exoterm reaktion eksporterer energi til omgivelserne. Natriumhydroxidperler kan kobes i supermarkeder under navne som <etsnatron eller kaustisk soda. Produktet anvendes som af lobsrens, se figur 25.

Figur 25. Etiketten

KAUSTISK

SODA

en beholder med natriumhydroxid til rensning af aflob.

NATRIUMHYDROXID MIN. 98%. a5NATRON

NETTO 1kg DEKLARATIDN NeltoviIlgt: 1kg.

Indhold: Natriumhydroxid min. 96%

(kauslisk soda, IIltsnatron).

b4 ~~ A:TSENDE

VAREAll<1>

~.2

ALVDRLlG iETSNINGSFARE Opbevares utilgillngeligt for bern.

Kommer stoffel i ejnene,

skylles straks grundigt med

vand og lillge konlaktes. Tilsmudsel IlIj lages straks af. Brug egnede beskyttel seshandsker og -brillerl ansigtssklllrm under arbej det.

5990

FIRSTlHJoELP: Yed Indt'leise .,.nlm munden: FJemkald ikke optastning. Skyl munden. Drik vlnd, 1-2 glas. Seg straks sygehus fld hudkentlkt: Tej v8:!det med nalriumhydrolid tages slrats ai, og huden skylles med rigeligt nnd i mindst 30 min. Skylningen fort S8:!ttes undlr transport till_ge fed lienkentlld: Skyl strats med vand i mindst 30 min. Evt. kontlkl tinser fjernes. Sig strlU sygehus Skylnmg skal lorts8:!lle undeJ transporten.

.... fREMSTILLE' FOR , . f-GRUPPEN, ROSKILDEIItJ 65 2620 ALBERTSLUND

ANYENOELSESOIiRAoI:

Aensning ., .,llb I lorlHnde1se mid 1c1ll:1l:1II"11k.

kindvllk a.lign.

Hl!ld hmt ca. lit liter tDldt 'land i all,bet. Drys derefter 1'11-2 spsk. natriurnhydrolid ned j 1II,bet og lad del

virke en times tid. Skyl elter med rig,ligt toldt 'land. Genlag om nadvendigt behaodling.n Ved kraftlg tilstopr.ing blr man begynde med hsl'l dose ring sf mid let for itlle at U for kreWg opnrmning af

flfene. Serg lor, at bruge rigehgt vand sammen med mid let A'syrlng af mal,. tr.v.rk S,g oplysning i lag- eller hobbyblger om atsyring. F.lg brugsanvisningan neie

Rid: lad aldrig flasken sl' uden kapsel.

Anvend ikke andre midlar slier en gummisuger lemmen

med naUiumhydrolid ved rensning al,llib

Ssrg for god udluftning under arbejdsl

Ved opill'sning ef midlet udvikles vlrme.

UndgJ kontlU med aluminium. zink. tm og bly.

YI,lilt! Beskyt Ijne, hud og IIi under arbejdel.

92041

1111 III

5 750004 275489

Bem<erk advarslerne pa etiketten. Man kan godt undre sig over, at det er tilladt at s<elge stoffet i almindelig handel. Natriumhydroxid er meget kraftigt <etsende. Det er specie It farligt at fa stoffet i ojnene. Hvis man far natriumhydroxid i ojnene, kan man nemt risikere at miste synet. Natriumhydroxid kan spalte fedtstoffer, og stoffet er derfor i stand til at fjerne en fedtprop i aflobet fra f.eks. en kokkenvask. Nar man h<elder natriumhydroxid-perlerne ned i aflobet, kan tempera turen stige sa meget, at afIobet tager skade. Det undgar man, hvis man bruger flydende aflobsrens. Den fly

Ion e r

dende aflobsrens er en koncentreret oplosning af natriumhydroxid i vand. Vi skal nu se pa et andet eksempel, nemlig den reaktion, som sker, nar man oploser ammoniumnitrat i vand:

Figur 26. En ispose med vand og ammonium nitrat.

Denne reaktion er endoterm. Der sker et temperaturfald, nar stof fet oploses. Reaktionen forlober under optagelse af energi, og denne energi tages i forste omgang fra selve oplosningen. Hvis man lader oplosningen sta, optager den energi fra omgivelserne, hvorved dens temperatur langsomt stiger til omgivelsernes tem peratur. En endoterm reaktion kan man kalde en »vannesugende« reak tion. Endoterme reaktioner anvendes f.eks. i »isposer«, som bru ges af idnetsfolk til hurtig nedkoling af beskadiget V<PY. Figur 26 viser indholdet af en ispose, som rummer ca. 200g grovkornet am moniumnitrat og en plasticpose med ca. 200g vand. Nar man skal bruge isposen, vrider man den, sa den indre plas ticpose med vand gar i stykker. Sa begynder ammoniumnitrat at oploses i vandet, og det er denne endoterme reaktion, som giver nedkolingen. Nogle isposer indeholder urinstof i stedet for ammoniumnitrat. Opgave 24. Flaskegas bestilr af propan, der har form len C3 HB• Nilr propan brcender, dannes carbondioxid og vand. Afstem reaktionsskemaet: C3 HB + O 2

---i>

CO 2

+ H2 0

Er reaktionen exoterm eller er den endoterm?

Mmngdeberegninger Densitet St0rrelsen rnasse betegnes med symbolet rn. Ved kemisk laborato riearbejde er g (gram) den masseenhed, man hyppigst anvender. Eventuelt anvendes mg (milligram, 1O-3g). Resultatet af en vejning kan skrives sadan:

rn = 5,24g label 9. Resultaterne af en forsogsserie, hvor man maier volumen og masse for propanon (acetone). V

25,OmL

19,8g

50,OmL

39,6g

75,OmL

59,1 9

100,OmL

79,Og

En st0rrelse angives som produktet af en talvcprdi og en enhed. 5,24g betyder altsa 5,24 gange 19 (5,24 ·lg). St0rrelsen volurnen (rumfang) betegnes med symbolet V. Kemi kere foretrcpkker volumenenheden L (liter) eller mL (milliliter, dvs. 1O- 3 L). ImL er det samme som lcm:l . Med en vCPgt og et maleglas kan man lave en fors0gsserie, hvor man maIer massen af forskellige voluminer af en vcpske. Tabel 9 viser resultaterne af en serie malinger pa vcpsken propanon. Dette stof har trivialnavnet acetone, og det anvendes som pletrens ningsmiddel i husholdningen. Acetone kan f.eks. opl0se rester af klistermcprker samt pletter af lim og lak, herunder neglelak. Fors0gsresultaterne er afbildet grafisk pa figur 27. Malepunk terne ligger pa en ret linje gennem (0,0), dvs. rn er proportional med V. Hvis Vbliver dobbelt sa stor, bliver rn ogsa dobbelt sa stor osv. Det konstante forhold mellem rn og V kaldes stoffets densitet. Denne st0rrelse betegnes med det gr<£ske bogstav p (rho):

Densitet blev f0r i tiden kaldt rnassefylde eller va?gtfylde.

100

Figur 27. Grafisk afbild ning af resultaterne fra tabel 9, Linjens hc:eld ningskoefficient er den siteten for propanon.

~.) <,w

••

tE'

tt'

Ma!ngdeberegninger

Man finder bedst propanons densitet ud fra maIeresultaterne ved at afleese heeldningskoefficienten for linjen. Vi viI imidlertid bereg ne densiteten ved et benytte en af miUingerne: m

19,8g

0792 g mL

P = V = 25,OmL =,

Ser vi bort fra den lille variation, som skyldes miUeusikkerheden i forsoget, far vi samme resultat, hvis vi anvender resultaterne for 50,OmL, 75,OmL eller 100,OmL. Densitet er en temperaturafheen gig sto/konstant, dvs. et givet stof har ved en bestemt temperatur en ganske bestemt densitet. Densiteten siger naturligvis noget om stoffets teethed. Pa figur 28 ses modeller af kobber og oxygen. Kobber har meget storre densitet end oxygen: p(Cu) = 8,933 g/mL

P(02) = 0,00133 g/mL

Begge veerdier geelder ved 20°C og atmosfeeretryk. Densiteten for en gas afheenger naturligvis af gassens tryk. Figur 28. Modeller af kobber og oxygen.

i, I I

_ /

l .._-- ........L

(f) ~_

CIA

I en gas er der meget tomrum mellem molekylerne. Derfor er den siteten for en gas lille sammenlignet med densiteten for veesker og faste stoffer. Modellen pa figur 28 viser, at kobberatomerne er pakket teet sammen i et sakaldt metalgitter. Denne opbygning er typisk for metaller. Formlen for et metal skrives simplest muligt. Man skriver Cu og ikke Cu"". Figur 29 er en tegning af nogle kobberkrystaller. Bemcerk, at krystalformen svarer noje til modellen pa figur 28. I et stykke kob ber er de enkelte kobberkrystaller normalt sa sma, at man ikke kan se dem med det blotte oje. Metallers densitet angives som regel i enheden g/cm3 , se tabel 10. Denne enhed er naturligvis det samme som g/mL. Metallerne i

Mmngdeberegninger

Figur 29. Kobber

"r,

krystaller.

label 10. Nogle metal lers densitet ved 20°C. Metal Natrium

p 0,966g/cm 3

Magnesium 1,738 Aluminium Bly Jern Kobber

2,698 11,34 7,873 8,933

Solv

10,50

Guld

19,281

1. og 2. hovedgruppe samt aluminium fra 3. hovedgruppe er let metaller. Deres densitet er mindre end 4g/cm:1. Lithium, natrium og kalium har oven i kobet en densitet, som er under 19/cm3, dvs. de flyder oven pa vand. lnden man prover, om det er rigtigt, skal man tcpnke pa, at disse metaller reagerer voldsomt med vand! Tungmetaller har en densitet, der er over 7g/cm3 . De star i un , dergrupperne i det periodiske system. Desuden er tin og bly ira 4. hovedgruppe tungmetaller. AIle metaller er opbygget af atomer, som er pakket tCPt sammen, jcpvnfor opbygningen af kobber. Metallerne har forskellig densitet, fordi metalatomernes storrelse og masse varierer fra metal til me tal. Det betyder ogsa noget, at gitterstrukturen kan vcpre lidt for skellig fra metal til metal. Vi kan bruge beregninger med densitet til at indove en nyttig be regningsteknik. Der indgar tre storre1ser i definitionsligningen for densitet. Man kan beregne en af storre1serne, hvis man kender de to ovrige.

Eksempel 1. Tetrachlormethan (((1 4 ) er en vceske med densiteten 1,59g/ml.

Beregn massen af 25,OmL tetrachlormethan.

L0sning: Idette tilfcelde kender vi p og

v. og vi skal beregne m. Forst

omskrives ligningen, sa den storrelse, vi skal beregne, isoleres pa venstre side

af lighedstegnet:

p = m V

omskrives til

m = p·V

Derefter indscettes de kendte storrelser med enheder, 09 beregningen udfores:

Man skal ogsa »regne« pa enhederne. mL forkortes ud, og fa cit far enheden g. Da det er en fornuftig enhed for en masse, har vi dermed kontrolleret. at vi har stillet regnestykket rigtigt op.

Ma!ngdeberegninger

Eksempel2. Aluminiums densitet er 2,698g/em 3 . Hvilket volumen har 11 ,5g

aluminium?

L0sning: Her er V den ubekendte. Den isoleres p~ venstre side, og vi f~r:

V(AI)

m(AI) p(AI)

= 426 3 g ' em

2,698 em 3

11,5g

11,5g aluminium fylder 4,26em 3 .

Opgave 25. 25,3 mL benzin har massen 18,45g.

a) Beregn benzinens densitet.

b) Hvad er massen af 111,3mL benzin?

Opgave 26. Grundstoffet brom er en r0dbrun viEske med densiteten 3, 12g/mL. Hvor stort et volumen brom skal man afmale, hvis man skal bruge

55,3g brom?

Formelmasse. Molekylmasse Ved kemisk laboratoriearbejde foretrcpkker man som ncpvnt mas seenheden gram. Ig er 1JoO kg, og lkg er defineret som massen af den internationale kilogramprototype, der opbevares i Paris. Nar man angiver atommasser, bruger man dog masseenheden u. Som ncpvnt pa side 16 er 1 u defineret som af massen af et 12C-atom. De to masseenheder gram og u er altsa defineret helt uafhcpn gigt af hinanden. Ved komplicerede fysiske malinger har man be stemt omscptningsfaktoren mellem de to enheder og faet folgende resultat:

Ig = 6,02·10 23 u eller lu

6,02.10 23

166.1O- 24 g

1u er en meget lille enhed. Det er naturligvis et udtryk for, at ato merne er meget sma. Vi har tidligere indfort betegnelsen formelenhed om den mcpng de stof, som svarer til en kemisk forme!. Massen af en formelen hed kaldes formelmassen. Hvis formelenheden er et molekyle, kaldes formelmassen ogsa molekylmassen. Formelmasser angives i u. Det er nemt at beregne formelmas sen, nar man kender atommasserne for de grundstoffer, som indgar i formlen. Det er nojagtig nok at bruge de lidt afrundede atommasser, som star i det periodiske system bag i bogen.

Mmngdeberegninger

Eksempel 3. Beregn formelmassen (molekylmassen) for H20. L0sning: M F(H 20) = 2·1,008u + 16,OOu = 18,02u Her har vi anvendt M Fsom symbol for formelmasse. Resultatet er afrundet til to decimaler, da vi kun har brugt to decimaler pa oxygens atom masse. Vandmolekylet har altsa massen 18,02u. Hvis man vii angive massen af vand molekylet i g, indsCEtter man blot 1u = 1,66·10- 24 g: M F(H 20)

= 18,02u = 18,02·1,66·1O- 24 g =2,99'10- 23 g

Et vandmolekyle vejer ca. O,00000000000000000000003g.

Eksempel4. Beregn formelmassen for Na2S04'10H20 og regn ud, hvor

mange % natriumindholdet udgor af stoffets masse.

L0sning: Forst beregnes formelmassen:

MF(Na2S04'10H20) = 2·22,99u + 32,07u + 4·16,00u + 20·1,008u + 10·16,00u = 322,2u Natriumindholdet i % findes veE! at regne pa en enkelt formelenhed: natriumindhold i %

= 2·22,99u ·100% = 14,3% 322,2u

Opgave 27. Beregn formelmasser for H2S0 4, AICl 3, AI 2(S04h, FeS04'7H20 og CH 3CH 20H.

Opgave 28. Beregn det procentiske vandindhold i krystalsoda. Stoffets formel er Na2C03·10H20.

Opgave 29. S01v findes i naturen bl.a. i mineralet solvglans, som har form len A9 2S. Beregn solvindholdet i %.

Opgave 30. Pa en flaske apollinaris star der, at 1dL (deciliter, 0,1 L) inde holder SOmg NaCI svarende til 20mg Na+. Undersog ved beregninger, om det er rigtigt, at 50mg NaCI indeholder 20mg Na+

Stofmrengde Mcengdeangivelser som f.eks. 4,63g jern og 12,4mL vand er prak tiske, nar man skal afmale stofferne, men egentlig er de ikke sa:r ligt hensigtsmcessige set fra et kemisk synspunkt. De forta:ller nemlig ikke, hvor mange jernatomer og vandmolekyler man arbej der med. Kemikere anvender en storrelse, som kaldes stojmmngde. Stof ma:ngde har enheden mol. Hvis man f.eks. har et stof med formel

.. ~ .

Ma:ngdeberegninger

massen 46,07u, har Imol af stoffet massen 46,07g. Der folgende generelle rege1:

g~lder

Hvis et stof har formelmassen Xu, har 1mol af stoffet massen Xg. Vi ser pa tre eksempler, nemlig carbon-12, vand og natriumchlorid:

Formelmasse: Masse af 1mol:

H 20

NaCl

12u

18,02u

58,44u

12g

18,02g

58,44g

Bem~rk,

at formelmassen for 12C er pr~cis 12u, j~vnfor defini tionen af enheden u.

Figur 30. Figuren viser

1mol

12(,

1mol H2 0 og

1mol NaCi. Disse stof

maengder indeholder

• 12g 12C

hver 6,02,10 23 formel

enheder.

6,02,10'3

5M4g NaC/

18,02g H.O

6,02.10. 3

6,02· 10.3

«J

Der er tegnet en model af

formelenhederne.

Vi t~nker os, at vi har afvejet 1mol af hvert af de tre stoffer, se figur 30. Nu viI vi vise, at de tre afvejede stofportioner indeholder lige mange formelenheder. At Ig = 6,02 .102:Ju far vi:

~ = 602.10 23 lu ' Antallet af formelenheder i de tre stofportioner udregnes ved at dividere deres masse med massen af en enkelt formelenhed: 12g 12u

=.!.K =6 02.1023

Antal H 20-molekyler:

18,02g 18,02u

=.!.K =6 02.1023

Antal NaCI-formelenheder:

58,44g 58,44u

=.!.K =6 02.1023

Antal 12 C-atomer:

' '

Heraf kan vi se, at 1mol indeholder et bestemt antal formelenhe der, nemlig 6,02.1023 formelenheder. Det g~lder, uanset hviIket stof man arbejder med. Derfor er mol en s~rdeles praktisk enhed, nar man skal angive m~ngden af et stof. Stofm~ngden 1mol indeholder 6,02.1023 formelenheder.

Ma!ngdeberegninger

label 11. Sammenhaengen mellem stofmaengde og masse for stoffet H2 O. Desuden er antallet af

Stofmaengde

Masse m

Antal molekyler

n 1mol 2mol 3mol

18,02g 36,04g 54,06g

6,02.10 23 12,04.1023 18,06.10 23

vandmolekyler anfort.

Stofm<£ngden 2mol indeholder naturligvis dobbelt Sa mange for melenheder som 1mol osv. En angivelse af stofm<£ngden kan be tragtes som en angivelse at antallet at formelenheder. Den officielle definition at stofm<£ngdeenheden mollyder: 1mol er den stofm<£ngde, der indeholder lige sa mange formelenheder, som der er carbonatomer i 12g 1ZC. Nar man taler om stofm<£ngde, er det helt afg0rende, hvilken formelenhed der er tale om. »lmol hydrogen« er strengt taget en upr<£cis angivelse. Det kan v<£re 1mol H, der har massen 1,008g og indeholder 6,02.1023 H-atomer. Eller det kan v<£re 1mol Hz, der har massen 2,016g og indeholder 6,02.1023 H[molekyler. St0rrelsen stofmamgde betegnes n, og denne storrelse har som n<£vnt enheden mol. Vi betragter som eksempel stoffet vand. Stof m<£ngden 1mol H20 har massen 18,02g. 2mol HzO har massen 36,04g osv., se tabelll og figur 31. Figur 31. Stofmaeng- . derne 1mol H2 0, 2mol H2 0 og 3mol H2 0 afvejet i tre 100mL baegerglas.

1mo/112 0

2mo/112 0

3mo/112 0

(18,02g)

(36,04g)

(54,06g)

Der er proportionalitet mellem stofm<£ngde og masse. Det kon stante forhold mellem massen m og stofm<£ngden n kaldes stoffets molare masse. Den betegnes M:

Vi beregner vands molare masse ved at se pa 3mol H20: M(H 0) = m(H 20) = 54,06g = 1802---.!L

z n(H 20) 3mol ' mol

Mmngdeberegninger

Vi kunne naturligvis lige sa godt have regnet pa 2mol eller Imol H20. Den molare masse er en stojkonstant. H20 har den molare masse 18,02g/mol, fordi formelmassen er 18,02u. Hvis et stof har formelmassen Xu, har 1mol af stoffet massen Xg, og stoffets molare masse er Xg/mol Det betyder, at man kan beregne et stofs molare masse pa samme made, som man beregner formelmassen. Man skal blot bruge enheden g/mol i stedet for u.

Eksempel 5. Beregn den molare masse for carbondioxid. L0sning: M(C0 2 )

Amedeo Avogadro 1776-1856 Italiensk kemiker. Fremsatte i 1811 f01 gende antagelse: Lige store voluminer af forskellige gasser (ved samme tryk og tempe ratur) indeholder lige

mange molekyler. Denne antagelse gjorde,

= (12,01

+ 2· 16,00)g/mol

= 44,01g/mol

Som regel kender man den kemiske formel for det stof, man arbej der med. Ud fra den kemiske formel beregnes stoffets molare masse M. Derefter kan man beregne stofm<£ngden, hvis man kender massen, eller man kan beregne massen, hvis man kender stofm<£ngden. Til disse beregninger benyttes formlerne:

C:::_~__o_g_ _m_=_n_.M_I De to formler fremkommer ved omskrivning at definitionslignin gen for molar masse. Antallet af formelenheder betegnes N. Det er normalt et meget stort tal. Man kan beregne antallet N, hvis man kender stofm<£ng den:

at han kunne bestemme korrekte formler for en riEkke stoffer, f.eks. H2, 02, H20 og NH 3 (se Dal tons formler pa figur 1 side 9). Betydningen af Avogadros arbejde blev forst anerkendt i 1860, hvor det bidrog til at fjerne tvivlen om form lernes rigtighed.

N er et antal, dvs. uden enhed. Da stofm<£ngden n inds<£ttes i mol, rna NA have enheden _l[, som skrives mol-i. NA kaldes Avogadro 1110 konstanten. Det er en naturkonstant, dvs. den har samme vcerdi for aBe stoffer. 1mol indeholder altid 6,02.10 23 formelenheder. Vi anvender en lidt afrundet v<£rdi for Avogadro konstanten. Den kendes med stor nojagtighed: NA

6,0221367.10 23 mol- 1

Det svarer tillg = 6,0221367·10 23 u.

e:rett t

Me '.

;;1ryO mtt frW 1:#;0 .

tt Ue

r: wblte

,.,j

Mmngdeberegninger

Eksempel6. Beregn massen af O,137mol NH 3.

L0sning: Da vi kender stoffets kemiske formel, kan vi beregne den molare

masse:

M(NH 3) = (14,01 + 3·1,008)g/mol = 17,03g/mol 5tofm~ngden er

opgivet, n(NH 3) = O,137mol. Massen beregnes ved at bruge

form len m = n·M. De kendte storrelser m(NH 3)

inds~ttes:

9 = n(NH 3)·M(NH 3) = O,137mol.17,03= 2,33g mo 1

Ni3r man »regner« pa enhederne, gar mol ud, og facit far enheden g. Vi har beregnet. at O,137mol ammoniak vejer 2,33 g.

Eksempel7. Man har 14,24g NH 3. Beregn

stofm~ngden

af NH 3. Beregn

desuden antallet af ammoniakmolekyler.

L0sning: Her kender vi m(NH 3) = 14,24g og M(NH 3) = 17,03g/mol (se forrige

eksempel). Vi skal beregne stofm~ngden n:

n = J7l M

14,24g

--9 17,03

= 0,836 mol

mol

Derefter kan vi beregne antallet af ammoniakmolekyler: N(NH 3) = n(NH 3)'N A = O,836mol·6,02·10 23 mol-' = 5,03.10 23 14,24g ammoniak indeholder 5,03.10 23 molekyler. Det er et ufatteligt stort tal. Derfor vii man norma It ikke beregne antallet af formelenheder. Man kan nemmere fatte, at stofm~ngden er O,836mol. 5tofm~ngden kan betragtes som en angivelse af antallet af formelenheder.

Opgave 31. Man har 12,5g NaC!. Beregn

stofm~ngden

af NaC!.

Opgave 32. Almindeligt sukker har formlen C'2HnO". Beregn massen af

7,35mol C'2H220".

Opgave 33. Hvis man har et stof med ukendt kemisk formel, kan man ikke

umiddelbart beregne stoffets molare masse. 5a ma man pr0ve at bestemme

stoffets molare masse ved at male sammenh0rende

v~rdier for stofm~ngde

og masse. En maling viser, at 0, 124mol af et stof har massen 10,42g.

a) Beregn stoffets molare masse.

b) Kan stoffets kemiske forme I v~re CS H lO ?

Opgave 34. Propanon (acetone, CH 3COCH 3) fordamper let, idet kogepunk

tet er sa lavt som 56°C. Lidt propanon v~gt.

h~ldes op

i en flad skal, som star pa en

Efter 1 minut er v~gtens visning formindsket med O,155g. Hvor

mange propanonmolekyler er fordampet pa 1 minut?

MfEngdeberegninger

Opgave 35. Ved analyse aT en kemisk forbindelse af kobber og oxygen

finder man, at 4,48g af stoffet indeholder 3,98g kobber og 0,50g oxygen.

a) Beregn stofmcengderne af Cu og O.

b) Hvad er den kemiske formel for det analyserede stof?

Kemiske mrengdeberegninger Et afstemt reaktionsskema angiver m<engdeforholdet i reaktionen. Som eksempel ser vi pa reaktionen: 2H z + Oz

2H zO

Reaktionsskemaet viser, at 2 hydrogenmolekyler reagerer med 1 oxygenmolekyle og giver 2 vandmoiekyler. Eller at f.eks. 42 hydro genmoiekyler reagerer med 21 oxygenmolekyler og danner 42 vandmolekyler. Som regel viI vi l<ese reaktionsskemaet sadan: 2mol H2 reagerer med 1mol 0z og giver 2mol HzO Man skal huske pa, at 2mol H2 indeholder dobbelt sa mange mole kyler som 1mol Oz osv. M<engder af de to reaktanter (Hz og 0z), som »passer sammen" ifolge reaktionsskemaet, kaldes fEkvivalente mfEngder. For <ekvi valente m<engder af Hz og Oz g<elder, at forholdet mellem stof m<engderne er 2:1 n(H z) n(02)

2 =

(<ekvivalente m<engder)

Hojresiden angiver forholdet mellem de to stoffers koefficienter i reaktionsskemaet. I en kemisk reaktion er m<engderne <ekvivalente, hvis forholdet mellem stofm<engderne er lig med forholdet mellem koefficien terne i reaktionsskemaet. I reaktionen mellem hydrogen og oxygen er 6mol Hz <ekvivalent med 3mol 02' Ved reaktionen giver denne blanding 6mol H 20. Vi kan anfore m<engderne under reaktionsskemaet: 2H z + O2 for: efter:

6mol

2H zO

3mol

6mol

.4.

Koefficienterne angiver forholdet mellem de stofm<engder, som

MrPngdeberegninger

omsrettes. Hz omdannes til HzO i forholdet 2:2, dvs. 6mol Hz bliver til 6mol HzO. Derimod omdannes Oz til HzO i forholdet 1:2. Ved reaktionen bliver 3mol O 2 til 6mol HzO. Vi tager nu et eksempel, hvor mrengdeme ikke er rekvivalente. Vi bruger 4mol Hz og 10mol Oz: 2H z + Oz for:

4ma!

-'>

8 rna!

e/ler:

2H zO

lOrna!

4ma!

Her er der oxygen i overskud. 4mol Hz kan kun reagere med 2mol Oz. Hydrogenmrengden bruges op, mens der efter reaktionen er 8mol Oz til rest. Hvis vi bruger 4mol Hz og 3mol 0z, er der stadig oxygen i over足 skud. Man skal trenke pa, at de to stoffer reagerer i forholdet 2:1.

Eksempel8. En forbrcending er som bekendt en reaktion med oxygen. Ved forbrcending af methan (CH 4 ) dannes CO 2 og H20: CH 4 + 20 2

-'>

CO 2 + 2 H20

Det er vigtigt, at reaktionsskemaet er afstemt. Koefficienterne angiver jo stofmcengdeforholdet i reaktionen. Det kan vcere en fordel at skrive koefficienterne med f.eks. md farve, sa de klart kan skelnes fra de kemiske formler. Koefficienten er ikke en del af den kemiske formel. Vand har stadig form len H20, selv om der star 2 foran. 80,8g methan brcendes. Beregn massen af den mcengde 0 20 som bruges ved reaktionen, og beregn massen af de to stoffer, som dannes ved reaktionen.

L0sning: Da vi skal regne pa aile fire stoffer i reaktionsskemaet, kan vi lige sa

godt begynde med at finde stoffernes molare masser. De beregnes pa sced足 vanlig made, eller man slar dem op i en tabel. Man far: M(CH 4 ) = 16,04g/mol

M(02) = 32,00g/mol

M(C02) = 44,01 g/mol

M(H 20)= 18,02 g/mol

Da massen af CH 4 er opgivet, kan vi beregne stofmcengden af CH 4 : 80,8g = 5,04mol 9 16,04 mol Ved at se pa koefficienterne kan vi nu finde den stofmcengde 02, som bruges ved forbrcending af 5,04mol CH 4 . Desuden kan vi finde de stofmcengder af C0 2 0g H20, som dannes ved reaktionen: CH 4 + 20 2 fer:

efter:

5,04mol

-'>

CO 2 + 2 H20

10,OBmoi S,04 mol 10,OBmoi

. ,

Mcengdeberegninger

Eventuelt kan man markere, at man bruger stofmaengden af CH 4 og reak tionsskemaets koefficienter til at finde de omsatte stofmaengder: CH 4

+ 20 2

5,04mol I

CO 2 +

2H 20

10,08mol

1'2---t .

1 : 1 _ 5,04mol

10,08mol

1:2

Nu kender vi stofmaengderne, hvorefter vi kan beregne masserne: m(02)

= n(02)·M(02)

m(C0 2)

= n(C0 2)·M(C0 2)

m(H 20)

= n(H 20)·M(H 20) = 10,08mol.18,02-.JL = mo 1

10,08mol.32,oo-.JL = 322,6g mo 1 5,04mol-44,01-.JL mo 1

= 221,8g 181,6g

Ved forbraending af 80,8g CH 4 forbruges der 322,6g O2, og der dannes 221 ,8g CO 2 og 181,6g H20. Den samlede masse efter reaktionen er lig med den samlede masse for reaktionen. Vi har beregnet det sakaldte teoretiske udbytte af CO 2 og H20. I praksis vii man ofte fa et udbytte, som er mindre end det teoretiske udbytte. Hvis man f.eks. fortaetter det dannede vand og derefter vejer, er der maske kun 175,3g vand. Det praktiske udbytte angives i % af det teoretiske udbytte: udbytte af vand i %

= 181,6g 175,3g ·100% = 96,5%

Der er altsa »forsvundet« over 6g vand. Det er naerliggende at antage, at det skyldes forskellige former for spild. Jo mere omhyggeligt man arbejder, desto mindre spild bliver der. Foruden spild kan urenheder i udgangsstof ferne vaere arsag til, at udbyttet bliver mindre end 100%. I vi sse reaktioner spiller det desuden ogsa en stor rolle for udbyttets stor reise, at reaktionen ikke lober til ende. Det gaelder dog ikke den betragtede reaktion, som forlober fuldstaendigt.

Eksemplet ovenfor viser, hvordan man loser en typisk opgave i mcengdeberegning. Beregningsgangen kan beskrives pa folgende made: 1. Beregn stofmcengden at det stof, hvis masse kendes.

m n=M

2. Brug koefficienterne i reaktionsskemaet til at finde de stof mcengder, som bruges eller dannes at de andre stoffer. 3. Beregn masserne at de andre stoffer.

m=n·M

Ma!ngdeberegninger

Opgave 36. Betragt forbrrendingen af propan (C 3 Hs);

C3 Hs + 50 2

---7

3C0 2 + 4H 20

Der anvendes 60,5g propan. Beregn massen af den mrengde oxygen, som bruges ved reaktionen, og beregn desuden masserne af de to stoffer, som dannes ved reaktionen.

Opgave 37. Vi ser pa reaktionen:

C4 Hs5 + 70 2

---7

4C0 2 + 4H 20 + 502

Der anvendes 5,92g C4 Hs5. Beregn masserne af de ovrige stoffer i reak tionen.

Opgave 38. Ved forbrrending af svovlforbindelser dannes der 5° 2, jrevnfor

forrige opgave. Rogen fra kraftvrerker indeholder 50 20 som dannes ved afbrrending af svovlholdig kul eller olie. Man kan fjerne 50 2 fra rogen ved folgende reaktion: 50 2 + CaC0 3 + %0 2 + 2 H20

---7

Ca50 4 '2H 20 + CO 2

kalk

gips

Da koefficienterne angiver stofmrengdeforholdet, kan vi godt bruge koeffi cienten %. Eventuelt kan man gange aile koefficienter med 2. a) Beregn massen af kalk, som skal bruges til at reagere med 1DOg 502' b) Beregn massen af gips (Ca50 4 '2H 20), som dannes af 1DOg 502' c) 1DOg er i denne sammenhreng en meget lille mrengde 502' Hvad bliver svaret pa sporgsmal a og b, hvis der er tale om 10000 ton 50 2? (Denne rogrensningsmetode anvendes pa blok 3 pa Vestkraft i Esbjerg, hvor der arligt produceres ca. 60000 ton gips).

Opgave 39. Beregn massen af den mrengde ethanol (alkohol), som teore

tisk set kan dannes ved grering af 1kg sukker. Reaktionsskemaet er: C'2H22011 + H20

---7

sukker

4CH 3CH 20H + 4C0 2 ethanol

Opgave 40. Forbrrendingen af methanol (trresprit) har folgende reaktions

skema: 2CH 3 0H + 30 2

---7

2C0 2 + 4H 20

methanol

Der afbrrendes 50,Og methanol. Beregn masserne af de ovrige stoffer i reak tionen.

Opgave 41. Hvis man blander vandige oplosninger af solvnitrat og calcium

chlorid, dannes der et bundfald af solvchlorid. Et ionreaktionsskema er ikke sa velegnet til mrengdeberegninger, sa derfor skriver vi et reaktionsskema med stofformler: 2AgN0 3 (aq) + CaCI 2(aq)

---7

2AgCI(s) + Ca(N0 3 h(aq)

... ~

Mr;engdeberegninger

a) Nar man skallave reaktionen, begynder man med at afveje CaCI 2 (s) og AgN0 3 (s). Der afvejes 8,1 Og CaCl 2 (s). Man onsker at anvende CEkvivalente mCEngder af CaCI 2 (s) og AgN0 3 (s). Hvor meget AgN0 3 (s) skal man afveje? b) De to stoffer oploses i vand, og oplosningerne hCEldes sammen. Beregn det teoretiske udbytte af AgCl(s) (i gram). c) Det dannede bundfald frafiltreres, torres og vejes. Det vejer 20,4g. Beregn det opnaede udbytte i % af det teoretiske udbytte.

Opgave 42. Aluminiumsulfid fremstilles ved at opvarme en blanding af alu minium og svovl: 2AI + 35

AI 2 53

----'>

Hvor meget aluminium og svovl skal man afveje, hvis man skallave 100g alu miniumsulfid?

Opgave 43. Man laver ammoniak ved reaktionen: 3H 2 + N2

----'>

2NH 3

Er 12,5g H2 CEkvivalent med 25,3g N2 ? Opgave 44. Hydrogenchlorid kan fremstilles ved reaktionen: H2 + CI 2

----'>

2HCI

Hvor meget HCI kan der dannes, hvis en blanding af 10,00g H2 og 10,00g CI 2

bri nges ti I at reagere?

Idealgasloven Molekyleme i en gas bevreger sig rundt mellem hinanden, se figur 32. Det sker hyppigt, at to molekyler stoder sammen, men bortset fra sammenstodene p;'lVirker molekyleme ikke hinanden nrevne vrerdigt. Figur 32. Model af en

gas ved to forskellige temperaturer. Hvis gassen f.eks. er

oxygen, er molekylernes gennemsnitsfart 425 m/s

ved O°C og 71 5 m/s ved

DOC

500°C

Desuden stoder molekyleme ind i beholdervreggen, og det regi strerer vi som gassens tryk. Som vist pa figuren bliver moleky lemes gennemsnitsfart storre, nar temperaturen oges. Det bety der, at trykket vokser.

httf'M'lW) 'torture t

au :riSn mm"l:

Mcengdeberegninger

I P= ~ I I fysikundervisningen anvendes SI-enhedssystemet. I dette system angives Fi N (newton) og a i m2, sa tryk far enheden N/m 2 . Denne trykenhed kaldes pascal (Pa): lPa = IN/m 2 Pa er en meget liUe trykenhed. Vi vil primlPrt anvende trykenhe den bar:

Inden for meteorologien har det stor betydning, at lufttrykket i atmosflPren kan variere lidt (h0jtryk og lavtryk). Det sakaldte nor maltryk er defineret saledes:

Po = l01325Pa = 1,01325bar = latm Hermed har vi indf0rt trykenheden atm (atmosflPre). Normal trykket skulle VlPre det gennemsnitlige lufttryk ved havets over flade. Med en lidt afrundet vlPrdi er normaltrykket 1,013bar. Kemikere foretrlPkker enheden bar fremfor atm, da enheden bar hlPnger naturligt sammen med den systematiske enhed Pa. Det er en glPngs fysik0velse at unders0ge, hvordan trykket af en indesplPrret gas afhlPnger af temperaturen, nar gassens volumen holdes konstant. Man finder en linecpr sammenhcpng meUem tryk og temperatur, se figur 33..

Figur 33. Der er en linecer sammenhceng mellem tryk og tempera tur for en indespcerret gasmcengde, som har konstant volumen.

-273

-200

-100

100

200 floc

t'"

()

M(Engdeberegninger

Hvis linjen for!cenges bagud til skcering med forsteaksen, ram mer man temperaturen -273°C. Man kan dog ikke foretage malinger pa gassen helt ned til -273°C. Ved meget lave temperatu rer bliver gassen nemlig til en vceske og eventuelt ogsa til et fast stof. Det viser sig, at aile gasser stort set opforer sig ens. Det er lige gyldigt, om forsoget udfores med oxygen, nitrogen, hydrogen, methan eller atmosfcerisk luft. For aile gasser finder man en Jinecer sammenhceng mellem tryk og temperatur, og skceringspunktet med forsteaksen bliver i aile tilfcelde -273°C. Hvis man starter gas serne i samme »punkt« (f.eks. 20°C og 1,00bar), folger gasserne den samme rette linje pa figur 33. Nar man kommer ned pa lave temperaturer, hvor gassen ncermer • sig vcesketilstanden, kan der dog komme sma afvigelser fra den rette linje. Hvis et stof var pa gasform ved afkoling heIt ned til -273°C, ville gassens tryk ifolge figur 33 falde til Obar. Ved afkolingen formind skes molekylernes gennemsnitsfart. Trykket Obar rna betyde, at aile molekyler star stille, og sa kan man ikke kole lcengere ned. Denne nedre temperaturgrcense kaldes det absolutte nulpunkt. Nulpunktet Jigger helt prcecist ved -273,15°C, men vi vii normalt anvende den afrundede vcerdi -273°C. Vi indforer nu en ny temperaturskala, nemlig den absolutte tem peraturskala. Absolut temperatur regnes ud fra det absolutte nulpunkt, og absolut temperatur angives med enheden K (kelvin). En temperaturstigning pa 1K svarer prcecist til en temperaturstig ning pa 1°C. Figur 34 viser sammenhcengen mellem absolut tem peratur (betegnes T) og celsiustemperatur (betegnes t). Talvcer dien for T er 273 storre end talvcerdien for t. Normal stuetempera tur kan angives sam t = 20°C eller T = 293 K.

•

OK I

Figur 34. Sammen

273K

373K I

ooe

100·C

T )

hc:engen melfem celsiustemperatur og absolut temperatur (kelvintemperatur).

-273·e

)

Idealgasloven angiver sammenhcengen mellem en indespcerret gas mcengdes tryk, volumen, stofmcengde og absolutte temperatur:

p·V=n·R-T

R = 0,0831 L· bar I mol·K I

."-

Konstanten R kaldes gaskonstanten. Det er en naturkonstant, dvs. den har samme vcerdi for aile gasser. Den er angivet med en

it' tt'rUitnnnrttus ttl . Cli; :rtttrtY"c :tTfTTrki". Ii

Mf£ngdeberegninger

enhed, som passer til, at man regner tryk i bar og volumen i L (liter) . En gas siges at opfere sig som en ideal gas, hvis den felger loven helt pra=cist. Der kan komme sma afvigelser, hvis en gas er ta=t pa at overga til va=sketilstanden, men ellers opferer aIle gasser sig med ret stor nojagtighed som ideale gasser. Vi skal bruge idealgasloven til beregninger. Hvis man kender tre af de fire variable (p, V, n og n, kan man beregne den fjerde. Man kan f.eks. beregne voluminet af 1mol gas ved 20°C og trykket 1,013bar. Resultatet bliver:

V = 24L

(1 mol gas ved 20°C og 1,013bar)

Det er va=rd at huske, at 1mol gas fylder 24 L ved almindelige labo ratorieomsta=ndigheder.

Eksempel9. Hvilket volumen har 20,Og oxygen ved trykket 2,70bar og tem

peraturen 65°C?

Losning: Forst beregnes stofmcengden af 02:

= -Mm =

20,Og 32,Og/mol

= 0,625mol

Derefter beregnes kelvintemperaturen T. Da t er lig med 65°C, har vi:

= (65 + 273)K = 338K

Af idealgasloven far vi: V

= n·R·T = p

L·bar

0,625mol'O,0831morK'338K 2,70bar

= 6,50L

Oxygenets volumen er 6,50 liter.

Opgave 45. Beregn voluminet at 1mol af en ideal gas ved 20°C og 1,013 bar. Sammenlign resultatet med den vcerdi, der er anfort i teksten.

Opgave 46. 0,1 75g af en vceske bringes pa gasform ved opvarmning, og gassens volumen males til 0,0563 L ved 120°C og 1,013 bar. Beregn stof mcengden af idealgasloven, og beregn derncest stoffets molare masse.

Opgave 47. Der dannes hydrogen, nar et stykke magnesium anbringes i saltsyre: Mg(s) + 2 HCI(aq) -'; MgCI 2 (aq) + H2 (g) Til et forsog anvendes 3,20g magnesium og overskud af saltsyre. Hvor stor en stofmcengde hydrogen dannes der? Hvad er hydrogenets volumen ved 20°C og 1,013 bar?

Mmngdeberegninger

Opgave 48. Nar stoffet natriumazid (NaN 3) opvarmes til en temperatur over 275°(, spaltes det til natrium og nitrogen: 2 NaN 3 (s)

---7

2 Na(l) + 3N2 (g)

En airbag i en bil pustes op af en »gasgeneratur«, som indeholder natrium azid. Ved et frontalt sammenstod aktiveres en taendmekanisme, som starter reaktionen. Spaltningen af natriumazid sker Iynhurtigt, og det dannede nitrogen blaeser airbag'en op med stor kraft. Det varer ca. 55 millisekunder, inden en airbag (europaeisk model) er fyldt maksimalt med nitrogen. Vi skal regne pa en oppustet airbag, som har et volumen pa 35L. I denne konstruerede opgave taenker vi os, at airbag'en er taet, og at trykket i den er 3,0 bar og temperaturen 50°e. a) Beregn stofmaengden af nitrogen i airbag'en. b) Hvor stor en masse af natriumazid skal »gasgeneratoren« indeholde for at give denne stofmaengde nitrogen? (Airbag'en skal vaere pustet maksimalt op, lige nar personen rammer ind i den. I virkeligheden er der sma huller i airbag'en, sa der siver nitrogen ud. Derved opnar man en sa blid opbremsning af personen som muligt. Det hele sker sa hurtigt, at der naeppe er trykligevaegt i airbag'en under forlobet).

Opgave 49. En god vandluftpumpe kan pumpe luft ud, sa trykket kommer ned pa ca. 0,013bar. Hvor mange luftmolekyler er der tilbage i en 1 liters beholder, hvor trykket er 0,013 bar? (Temperaturen i beholderen er 20°e).

•

...,'lIIm.;;.n.tt..·Ililit'IIiIioi............;,;.·

Kovalent binding

Kovalent binding Navngivning Vi skal nu l z r e reglerne for navngivning af kemiske forbindelser, der bestir af to ikke-metaller. Nir man skriver stoffets kemiske forinel, skal de to grundstoffer skrives i f ~ l g e n d erzkkef~lge: B S i C A s P N H T e S e S A t I B r C1 O F Da H kommer f0r 0 , skal formlen for vand skrives H,O og ikke OH,. Formlen for ammoniak skrives NH,, og ikke H,N osv. Man giver stoffet navn ved at nzvne de to grundstoffer i samme rzkkefnlge som i den kemiske formel. Det sidste grundstof tildeles endelsen -id. Forbindelsens sammensztning angives med talforstavelserne i tabel 12. F ~ l g e n d eeksempler viser, hvordan man anvender reglerne:

label 12. Talforstavelser. 1 mono-

6 hexa-

2 di-

7 hepta-

3 trl-

8 octa-

4 tetra-

5 penta-

9 nona10 deca-

HCl

co2

N2O3

hydrogenchlorid

carbondioxid

dinitrogenlrioxid

Som det fremgar af eksemplerne, udelades forstavelsen mono-. En undtagelse er det giftige stof CO, som hedder carbonmonoxid (mono-oxid traekkes sammen ti1 monoxid). Carbondioxid omtales hyppigt som kuldioxid. Det er uheldigt, da grundstoffet C hedder carbon (kulstof) og ikke kul. For meget almindelige stoffer som vand og ammoniak anvender man stadig de gamle trivialnavne. H,S burde hedde dihydrogensulfid, men stoffet kaldes normalt hydrogensulfid. Opgave 50. Skriv formler for f~ilgendestoffer:

Carbondisulfid, nitrogenoxid, nitrogendioxid, dinitrogentetraoxid, dihydrogenoxid, phosphorpentachlorid og tetraphosphordecaoxid.

Atomernes elektronsky Ikke-metallernes atomer binder sig sammen med en sikaldt kovalent binding. Det er den form for binding, som holder atomerne sammen i et molekyle. For at forsti den kovalente binding ma vi l z r e noget mere om atomernes elektronsystem.

Figur 35. Bohrs model a f hydrogenatornet.

Figur 36. Hydrogenatornets elektronsky.

Kovalent binding

I sin teori for hydrogenatomet fra 1913 antager Niels Bohr, at elektronen bevzger sig i en cirkelbane omkring atomkernen, se figur 35. Denne model har imidlertid vist sig ikke helt at svare ti1 virkeligheden. Omkring 1925 blev der udviklet en ny grundlzggende fysisk teori, som kaldes kvantemekanikken. Ifolge kvantemekanikken er det ikke muligt at angive en bestemt bane for elektronen, og man kan ikke forudsige, hvor elektronen vil v z r e i nzste ojeblik. Elektronen kan komme alle steder i omradet omkring kernen. Ved en kvantemekanisk beregning kan man finde sandsynligheden for, at elektronen befinder sig i et givet omrade. Man kan ~ kernen, se illustrere dette ved at tegne en ~ e l e k t r o n s k yomkring figur 36. Hvor elektronskyen er t z t , kommer elektronen ofte, s% her er der stor sandsynlighed for at n t r z f f e ~den. Figuren viser et snit midt ned gennem atomet. Elektronskyen er tzttest helt inde ved kernen. Tztheden aftager gradvist, n L afstanden ti1 kernen oges. Atomet har ikke nogen veldefineret radius. Pa figur 37 sammenlignes elektronsky-modeller for atomer af hydrogen, helium og lithium. Elektronskyen for heliumatomets to elektroner minder om elektronskyen i hydrogenatomet, men p i grund af den s t ~ r r kerneladning e er den lrukket nzrmere kernen. Elektronen i H-atomet og de to elektroner i He-atomet befinder sig i 1. elektronskal (K-skallen). I-skallen 4e K- skallen 2e-

Figur 37. Elektronskyrnodeller af de tre forste grundstoffers atorner.

Lithium har to elektroner i 1. skal og en i 2. skal (L-skallen). Elektronskyen for elektronen i 2. skal danner en kugleskal i nogen afstand fra kernen. Det skal dog bemzrkes, at en del af denne elektrons elektronsky befinder sig i omradet t z t ved kernen, s% elektronen i 2. skal har ogsi en vis sandsynlighed for at komme helt t z t p%kernen. Elektronen i 2. skal har stnrre gennemsnitsafstand fra kernen end de lo elektroner i 1. skal, og den er derfor noget h e r e bundet ti1 kernen end de to andre elektroner. Figur 38 viser modeller af neonatomet og argonatomet. Man ser skalstrukturen tydeligt, men ogs% her gzlder, at opdelingen af elektronskyen er noget forenklet. Elektronerne fra 2. skal og 3. skal har nemlig en vis sandsynlighed for at befinde sig i omriidet t z t ved kernen.

Koualent binding

Figur 38. Modeller af

neonatornet o g argonatornet.

.+h+,x.

:&+-

L- s all en

8'-

K- skallen 2e-

I..*

M- skallen Be-

?''.-%

L - skullen 8 e( i""< . t,* K - skallen 2eL-,**, *,.&-' d

.,.

Som tidligere nzvnt har aedelgassernes atomer et meget stabilt elektronsystem. I overensstemmelse med zdelgasreglen (oktetreglen) danner hovedgruppegrundstofferne som regel keiniske bindinger p i en sidan mide, at atomernes elektronstruktur minder om elektronstrukturen for en zdel gas.

Kovalent binding To ikke-metalatoiner binder sig sammen med et felles elektronpar, som bevager sig omkring begge atomkerner. Denne form for kemisk binding kaldes kovalent binding (eller atombinding). Som eksempel ser vi pa dannelsen af et hydrogenmolekyle:

Ti1 h ~ j r eer reaktionsskemaet vist med nelektronprikformlercc. De to elektroner er betegnet med en prik og et kryds, men der er naturligvis ikke forskel p i dem. Nir H-atomerne binder sig sammen, dannes der et elektronpar. Eleklronparret er tegnet mellem de to H for at vise, at der e r tale om et felles elektronpar, som bevzger sig omkring begge atomkerner, se figur 39. Figur 39. Dannelse af

en kovalent binding rnellern t o hydrogenatorner.

Bemaerk den store elektrontathed mellem de to atomkerner. Den negative elektronsky mellem de positive kerner trekker dem ind mod molekylets midtpunkt. Denne tiltrzkning forklarer den kovalente binding, men man skal ogsi Wnke pi, at kernerne f r a s t ~ d e rhinanden. I molekylet er afstanden mellem kernerne netop s%stor, at krzfterne afbalancerer hinanden. Dannelsen af Hz-molekylet er i overensstemmelse med edelgasreglen. Det faelles elektronpar bevirker, at begge kerner bliver omgivet af to elektroner, og derved fir H-atomerne en elektronstruktur, som svarer ti1 heliums. En kovalent binding er altsi en sammenbinding af to atomer

Kovalent binding

~ n e det faelles elektronpar. Man angiver normalt en kovalent binding med en streg, som symboliserer det fzlles elektronpar: H-H En sidan formel vil vi kalde en stredormel. Vi tager endnu et eksempel. Chloratomet har 7 elektroner i yderste skal (7. hovedgruppe). Dannelsen af C1,-molekylet kan skrives:

I elektronprikformler medtages kun elektronerne fra yderste skal. Hvis det faelles elektronpar regnes med ti1 begge sider, har begge atomer opniet oktetstruktur. De 8 elektroner danner 4 elektronpar, hvoraf 3 par kun bevzger sig omkring det pigzldende atom, mens det 4. par er fattlles. Stregformlen er C1- C1.

Eksempler pii kovalente bindinger Carbon, nitrogen og oxygen s t i r i henholdsvis 4., 5. og 6. hovedgruppe. I overenssten~melsemed oktetreglen danner de tre grundstoffer felgende hydrogenforbindelser:

methan, CH4

Figur 40. M a n kan lave et regulaert tetraeder ved at lime 6 tsndstikker sammen.

ammoniak. NH3

vand. H20

Det centrale atom opnir oktetstruktur, mens H-atomerne f i r heliumstruktur. NH3-molekylet har et elektronpar, sorn ikke deltager i en kovalent binding. Dette elektronpar kaldes et ~ l e d i g t elektronpar<<,og det t i l h ~ r e rN-atomet. I H,O-molekylet er der to ledige elektronpar p i 0-atomet. De ledige elektronpar spiller en vigtig rolle i mange kemiske reaktioner. Nir vi skal beskrive den rumlige opbygning af de tre molekyler, f i r vi brug for en geometrisk figur, som kaldes et tetraeder, se figur 40. Man kan gengive molekylernes rumlige opbygning ved at placere det centrale atom midt i et tetraeder, mens H-atornerne anbringes i hjernerne (figur 41).

Figur 41. Tetraedermodeller. Bemaerk placeringen af de ledige elektronpar i NH3 og

H20,jaevnfar figur 42.

methan, CH4

ammoniak, NH3

van4 H,O

Koualent binding

Figur 42. Elektronskymodeller og kugle-stavmodeller. Molekylernes rumlige opbygning bestemmes af frastedningen mellem de 4 elektronpar, hvis elek-

tronskyer ses p i tegningen.

Vi kan forklare molekylernes rumlige opbygning ved at antage, at elektronskyerne for de 4 elektronpar frastclder hinanden og derfor vil v z r e s% langt v z k fra hinanden som muligt (se figur 42). Methanmolekylet svarer ti1 et regulzrl tetraeder, og bindingsvinklen er 109,5". I methanmolekylet danner alle bindinger vinkler p i 109,5" med hinanden. Bindingsvinklerne er lidt mindre i ammoniakmolekylet (107,3"), og vinklen Inellem de to bindinger i vandmolekylet er endnu mindre (104,5"). Det kan man forklare ved at se pa elektronskymodellerne pa figur 42. Elektronskyen for et ledigt elektronpar e r taettere p i det centrale atom end elektronskyerne for bindingselektronparrene. Et ledigt elektronpar optager derved lidt ekstra plads i rummet omkring det centrale atom, og derfor klemmes bindingerne lidt sammen. Pa figur 42 ses ogsa sikaldte kugle-stavmodeller af de tre molekyler. Vi kan sige, at methanmolekylet er tetraederformet, og at ammoniakmolekylet har pyran~ideform,mens vandmolekylet er vinklet. En anden type modeller ses p i figur 43. Disse modeller kaldes kalotmodeller. Figur 43. ~alotrnodeller.

De tre molekyler har fcllgende stregformler:

H-C-H I H

H-N-H I H

H-0 I H

En stregformel gengiver ikke molekylets rumlige opbygning. Man kan vise den rumlige opbygning pa fcllgende made:

Kovalent binding

I disse rumlige formler ligger en normalt tegnet binding i papirets plan. En punkteret linje angiver en binding bagud, og en kile viser en binding fremad. I nogle tilfzelde er to atomer bundet sammen med to fzelles elektronpar. Der er altsi to kovalente bindinger mellem de to atomer, og det kaldes en dobbeltbinding. Som eksempel ser vi pa C02-molekylet, hvor der er dobbeltbindinger mellem carbon og oxygen:

:o::c::o:

Figur 44. Model af

C02-molekylet. De tre atomkerner ligger p i en ret linje.

O=C=O

co,

Bemzerk, at bide C-atomet og de to O-atomer fAr opfyldt oktetreglen. Det kan lade sig g ~ r eselv , om C-atomet i sig selv kun har 4 elektroner i sin yderste skal, mens de to O-atomer kommer med hver 6 elektroner i yderste skal. Elektronerne i de to dobbeltbindinger, som udgir fra C-atomet, vil v z r e lzengst muligt vzek Tra hinanden. Derfor bliver molekylet linezert, se figur 44. Man kender ogsi tripelbindinger. Som eksempel betragtes nitrogenmolekylet, hvor atomerne fir opfyldt oktetreglen selv om de hver kun kommer med 5 elektroner i yderste skal: :N"':NC

NEN

C, N og O kan d a m e dobbeltbindinger. P og S har ogsi en vis evne ti1 at danne dobbeltbindinger. Derimod er det stort set kun C og N, der kan danne tripelbindinger. Vi har indtil nu haft fuld tillid ti1 gyldigheden af zedelgasreglen (oktetreglen), men den gzelder ikke i alle tilfzelde. Eeks. danner svovl forbindelsen SF,, hvor Satomet danner 6 kovalente bindinger. Ilet betyder, at der er 12 elektroner i Satomets yderste skal. Svovl stir i 3. periode i det periodiske system, dvs. 3. skal er yderste skal, og den kan i alt rumme 18 elektroner. Derfor er det ikke sii mzerkeligt, at det er muligt at overskride antallet 8. Siidanne overskridelser af oktetreglen ser man ikke for atomerne i 2. periode, da 2. skal kun kan rumme 8 elektroner. i

Opgave 51. Skriv elektronprikformler for hydrogenforbindelserne af f0l-

gende grundstoffer: Si, Br, S, P, Se, F o g Te.

1 Opgave 52. Betragt et P-atom. Hvor mange CI-atomer kan binde sig ti1

P-atomet, hvis oktetreglen skal overholdes?

Kovalent binding

Opgave 53. Hvordan skal man forvente, at 0,-rnolekylet er opbygget? Skriv

elektronprikformel og stregforrnel. Opgave 54. Hydrogencyanid (blasyre) er et meget giftigt stof. Stoffets

forrnel er HCN. Skriv elektronprikforrnel og stregforrnel for HCN-rnolekylet. Opgave 55. 1 sarnrnensatte ioner holdes atornerne sarnrnen af kovalente

bindinger. OH- har elektronprikforrnlen:

Her kornrner 0 med seks elektroner, H rned en elektron, og sA er der optaget en ekstra elektron udefra. Skriv elektronprikforrnler for NHT, C032-og SOO2-.

Elektronegativitet I Hz-molekylet er det fzlles elektronpar naturligvis helt ligeligt r ~ af det fordelt mellem de to atomer. Hvert af H-atomerne ~ e j e 50% fzlles elektronpar. En sAdan binding kaldes en ren kovalent binding. Hvis to forskellige atomer er bundet sammen, vil det fzlles elektronpar som regel ikke v z r e helt symmetrisk fordelt. Som eksempel betragter vi bindingen mellem H og C1:

Figur 45. Model af

elektronskyen for det fzlles elektronpar i HCI-rnolekylet. Det rneste af elektrontztheden befinder sig i ornrddet ornkring chlorkernen.

De to fzlles elektroner bevzger sig naturligvis omkring begge atomkerner, men de befinder sig det meste af tiden omkring chloratomet (se figur 45). Chloratomet trzkker Abenbart kraftigere i det fzlles elektronpar end hydrogenatomet gclr. Man siger, at chlor er mere elektronegativt end hydrogen. Da det fzlles elektronpar er forskudt over mod chloratomet, bliver chloratomet lidt negativt ladet, mens hydrogenatomet fAr en tilsvarende lille positiv ladning. Dette angives med et F (delta), som angiver et tal, der er mindre end 1. En sAdan binding kaldes en polar kovalent binding. De to elektroner er som nzvnt fzlles; der e r ikke dannet ioner (H' og C1-), idet det ville svare til, at elektronerne udelukkende bevzgede sig ornkring chlorkernen. Figur 46 pA n z s t e side angiver elektronegativitetsvzrdier for hovedgruppegrundstofferne. Elektronegativiteten er et tal, som angiver atomets nevne- ti1 at tiltrzkke elektronerne i en kovalent

Kovalent binding

Figur 46. Hovedgruppe-

2,5

2,O

3,5

grundstoffernes elektro-

negativitetsvzerdier. Elektronegativiteten stiger, nar man bevaeger sig i retning mod fluor i det periodiske system. periode

binding. Elektronegativitetsforskellen mellem to atomer angiver (med tilnzrmelse), hvor polzr bindingen mellem de to atomer er. Oxygen har elektronegativiteten 3,s og hydrogen 2,l. Oxygen er altsi vzsentligt mere elektronegativt end hydrogen (forskel 1,4). Elektronparret i bindingen mellem H og 0 er trukket over mod 0 atomet. Bindingen er stzrkt polattr med 0 som den negative pol: 6+

H-08I

H s+ Som formlen viser, er begge bindingerne i vandmolekylet polare. Et vandmolekyle har en positiv side og en negativ side. Den side af molekylet, hvor H-atomerne sidder, er positiv, mens 0-atomet er den negative side af molekylet. Denne ladningsfordeling i vandmolekylet har stor betydning for vands egenskaber som oplersningsmiddel. Pa figur 47 ses en model af den proces, som sker, n L natriumchlorid oplerses i vand: NaCl(s)

Na+(aq) + C1-(aq)

Ionbindingen er en s t ~ r kbinding, og man kan derfor undre sig over, at det i det hele taget er muligt at oplerse natriumchlorid. Ladningsfordelingen i vandmolekylet spiller en afgerrende rolle ved processen. Vandmolekylerne lzgger sig omkring ionerne med det

Figur 47. Model af processen: NaCl(s) + Na+(aq) + Cl-(aq). Bemaerk, hvordan vandmolekylerne orlenterer sig I forhold ti1 ionerne.

Kovalent binding

negative 0-atom ind mod ~ a +mens , de vender deres positive side (H-atomerne) ind mod C1-. Det -kostere naturligvis energi at spraenge iongitteret. Ti1 gengzld f r i g ~ r e sder energi, n i r ionerne omgiver sig med vandmolekyler. Alt i alt er processen svagt endoterm. Energifrig~relsen er ibenbart ikke helt stor nok ti1 at nfinansiereu spraengningen af iongitteret. Der ma tilferes lidt energi fra omgivelserne. Elektronegativitetsforskellen mellem to atomer er a f g ~ r e n d efor, hvilken type binding de to atomer danner med hinanden. Vi ser p i tre eksempler: 6+

C1- C1

H - C1

Na' C1-

forskel 0 ren kovalent binding

forskel 0.9 polrrr kovalent I ~ i ~ ~ d i n g

forskel2,l ionbinding

Her er elektronegativitetsforskellen mellem de to atomer angivet under det pigaeldende stofs formel. I chlormolekylet har vi naturligvis en ren kovalent binding med en symmetrisk elektronfordeling. I hydrogenchloridmolekylet er de fzlles elektroner forskudt over mod chloratomet, men der er stadig tale om et fzlles elektronpar, som ogsi bevzeger sig omkring hydrogenatomkernen. Bindingen er altsi stadig kovalent, men med en usymmetrisk elektronfordeling. I natriumchlorid er elektronegativitetsforskellen sA stor, at de to atomer ikke kan vaere bundet sammen med fzlles elektroner. Bindingselektronerne er helt forskudt over mod C1, s i der dannes Na' og C1-. Vi har kun skrevet en enkelt positiv og en enkelt negativ ion. I natriumchloridgitteret er hver ion som bekendt bundet ti1 6 ioner af den modsatte slags. Vi siger som en grov regel, at en forbindelse mellem et metal og et ikke-metal er en ionforbindelse. Hvis elektronegativitetsforskellen er mindre end 2, fir bindingen dog nogen kovalent karakter. Det er en forenkling at opdele kemiske bindinger i to skarpt adskilte typer, nemlig kovalent binding og ionbinding. Der er tale om en jzvn overgang fra ren kovalent binding via polzr kovalent binding ti1 en mere og mere udprzget ionbinding, efterhinden som elektronegativitetsforskellen bliver stnrre og s t ~ r r e . Opgave 56. Hvilke af folgende bindinger er polaere:

I -C-H

-C-CI

S-H I

Marker positiv og negativ pol.

-N-CI I

Br-Br

Kovalent binding

Molekyler Figur 48 viser en model af d e tre tilstandsformer for et stof, der bestir af molekyler. I den faste tilstandsform sidder molekylerne i et regelmzssigt mnnster, som kaldes et molekylgitter. I vzsketilstanden kan molekylerne bevzge sig rundt mellem hinanden, og i gastilstanden kan molekylerne bevzge sig frit i hele beholderen. Figur 48. Model af de

tre tilstandsformer. Stoffet bestAr af molekyler.

fast stof

gas

VLZ ske

Et molekyle e r en lille, selvstaendig maengde stof. Molekylet bestir af et antal atomer, som er bundet kraftigt sammen med kovalente bindinger. Rdelgassernes molekyler bestar dog kun af et enkelt atom. Ilerimod e r der kun svage krzfter mellem molekylerne. I den faste tilstand og i vzsketilstanden e r molekylerne t z t p i hinanden, men d e h z n g e r alligevel dLligt sammen. Derfor har stoffer, som bestir af molekyler, lave smelte- og kogepunkter. Nogle eksempler ses i tabel 13. Pruv at sammenligne med smelte- og kogepunkterne for salte i tabel 7 side 35. label 13. Data for nogle

Stoffets navn

Formel

Smeltepunkt

Kogepunkt

Helium

-270°C

-269°C

Hydrogen

-259°C

-253°C

Oxygen

0 2

-219°C

-183°C

-78°C

-33°C

-1 17°C

78°C

stoffer, som bestAr af molekyler.

I I

Ammoniak

NH3

Ethanol

CH3CH20H

Vand

H2O

0°C

100°C

lod

114°C

184°C

Svovl

1 15°C

445°C

Molekylernes opbygning zndrer sig normalt ikke ved en smeltning eller en fordampning. Eeks. bestir vand af H20-molekyler i alle tre tilstandsformer. Man bemzrker (let meget hnje kogepunkt for svovl. Det h z n g e r sammen med, at svovl opferrer sig uszdvanligt ved opvarmning, idet molekylets opbygning zndres.

Kovalent binding

Ved stuetemperatur er svovl et gult, krystallinsk stof, som best& af S,-molekyler. Hvert Satom er bundet ti1 to andre med kovalente bindinger, sa der dannes en &leddet ring:

I /

S-S

S I S

Ringen er ikke plan, men siksak-formet, se figur 49. Ved forsigtig opvarrnning ti1 lidt over 100째C smelter svovl ti1 en lysegul, letflydende vzske. Fortsztter opvarmningen, bliver vzsken m0rk og meget tyktflydende. Det sker ved ca. 160째C. Hvis man laver forsoget i et reagensglas, kan man vende bunden i vejret, uden at det smeltede svovl lober ud! \

Figur 49. Model a f et

S8-rnolekyle og et brudstykke af en SF-kaede.

Det tyktflydende svovl bestir af meget lange molekyler, der mAske er filtret ind i hinanden. Ved opvarmningen af det smeltede svovl er der sket en sprzngning af S,-ringene. Det giver k z d e r med 8 svovlatomer, men disse s m i k z d e r binder sig sammen ti1 lange kzder, der miske indeholder 100000 svovlatomer. Denne form for svovl kaldes S,, se figur 49. Hvis man fortsztter opvarmningen, bliver vzsken mere letflydende, og den koger ved 445째C. Det meget hoje kogepunkt skyldes de store molekyler, som vzsken bestir af. Stoffer, som bestir af store molekyler, har hoje kogepunkter. Dampen over det kogende svovl indeholder S8-molekyler. I forbindelse med fordampningen sker der ibenbart en spaltning af de kzdeformede molekyler. Lader man det flydende svovl afi0le langsomt, omdannes S, igen ti1 S8. Hvis man deriinod afioler den nzsten kogende v z s k e brat ved at hzlde den ucl i koldt vand, kan denne omdannelse ikke n i at finde sted, og ved stuetemperatur er omdannelseshastigheden lille. Ved den pludselige akaling f i r man en gummiagtig masse, som kaldes plastisk svovl. Efterhinden bliver den plastiske svovl sprod som folge af den fremadskridende omdannelse af de lange k z d e r ti1 S8, og efter et dogn er omdannelsen ti1 S8 fzrdig.

Kovalent binding

Figur 50. Overgange mellem de tre tilstandsformer.

Direkte overgang fra den faste tilstandsform ti1 gastilstanden kaldes sublimation, se figur 50. P i figur 51 ses opstillingen ti1 et sublimationsfors~gmed iod. F o r s ~ g e tu d f ~ r e sved opvarmning med kogende vand, dvs. opvarmning ti1 100째C. Ved denne temperatur e r iod stadig et fast stof (smeltepunktet er 114째C). Iodmolekylerne vibrerer i molekylgitteret. Hvis et molekyle i krystaloverfladen f i r szerlig stor vibrationsenergi, kan det forlade krystallen og g i over i gastilstanden. Man ser den smukke farve af gasformig iod. Nir ioddarnpen rammer det kolde reagensglas, sker den modsatte proces, dvs. det gasformige iod krystalliserer. Figur 51. Sublimations-

- koldt

' !

vand

f o r s ~ gmed iod. Vandbadet opvarmes ti1 Mr

kogning. lodet sublime

Man b e h ~ v e slet r ikke at lave f o r s ~ g efor t at konstatere, at iod kan sublimere. Man kan n0jes med at lugte ti1 stoffet. Hvis man kan lugte det, m i der v z r e nogle molekyler, som har forladt krystaloverfladerne og er giet ind i nzsen. Nir man t ~ r r e tr ~ved j at h z n g e det ud i frostvejr, udnytter man en sublimationsproces.

Grundstoffet carbon Carbon findes i naturen i to former, diamant og grafit. Gittermodeller af de to stoffer ses p i figur 52. En diamant- eller grafitkrystal indeholder ,,uendeligci mange carbonatomer bundet sammen med kovalente bindinger. lla gitterpunkterne er besat med atomer, kaldes denne gittertype et atomgitter.

Kovalent binding

., .

Jdet vi indskranker os ti1 at se p i forholdene omkring et enkelt af de mange carbonatomer, kan elektronprikformlerne for de to stoffer skrives:

diamant

grafit

Carbonatomerne i diamant er hver bundet ti1 4 andre C-atomer med kovalente bindinger. Der er tetraederopbygning omkring C."mm@l

atomerne. I grafit er hvert C-atom kun bundet ti1 3 andre C-atomer. O p bygningen er plan med vinkler p i 120' Man ser p i gittermodellen, at grafit bestir af plane lag, hvor carbonatomerne sidder i sekskanter. En grafitkrystal bestir af mange lag oven p i hinanden. Afstanden mellem lagene er ,,store, og de h a n g e r ikke s i godt sammen. Iagene kan forskydes i forhold ti1 hinanden. Derfor er grafit t der kan bruges som sm~remiddel,f.eks. i lise. et meget b l ~ d stof, Blyantsstifier bestir af grafit blandet med ler.

Figur 52. Gitterrnodeller

af diarnant og grafit.

diamant

grafit

Derimod er diamant ekstremt hArdt. Det er en f ~ l g eaf, at hele krystallen holdes sammen af starke kovalente bindinger. Hvis man vil skzere i diamant, skal man bryde bindingerne. (hafit er elektrisk ledende. Eeks. bruger man hyppigt grafitelektroder ved elektrolysefors~g.Som man ser af elektronprikformlen, har hvert carbonatom en uparret elektron. Denne elektron kan vandre inden for det pigaldende lag, og det er forklaringen p i den elektriske ledningsevne. Carbonatomerne hznger s i godt fast i gitteret, at diamant og

Kovalent binding

grafit er uoplaselige i alle oplasningsmidler. Stoffernes smeltepunkt er meget hajt, over 3500째C. BAde diamant og grafit er .uendelige~strukturer. I de senere ?ir har man fremstillet mindre molekyler af rent carbon. Szrlig kendt er C6", hvor 60 C-atomer sidder p i en kugleoverflade og danner 32 felter, nemlig 20 sekskanter og 12 femkanter. Denne opbygning genfinder man p i en almindelig fodbold, se figur 53. Figuren pA nzste side er en skabelon ti1 fremstilling af en papirmodel af molekylet. Figur 53. Foldbolden ti1

h ~ j r er e sat sammen af 20 sekskanter og 12 femkanter. CGO har en tilsvarende opbygning. Man skal

forestille sig, at der sidder carbonatomer i sekskanternes h j ~ r n e rj, z v n f ~ r grafit. 20 sekskanter har 120 h j ~ r n e r ,men da hver carbonatom indgar i t o sekskanter, bliver der kun 60 carbonatomer.

Figur 54. Carbon-

atomerne slutter slg sammen I et starre o g s t ~ r r esystem, sa man ender med C60.

C6" kaldes buckyball eller buckminsterfulleren efter amerikaneren Buckminster Fuller. Han er hverken fysiker eller kemiker, men arkitekt. Han har tegnet nogle store kupler, hvor simple geometriske former danner basis for konstruktionen. Det er relativt nemt at fremstille C,,,. Man fordamper carbon i en inaktiv atmosfiere af helium. Fordampningen kan f.eks. ske ved at lave en kulbueudladning mellem to grafitstznger. Figur 54 viser, hvordan man kan forestille sig, at carbonatomerne efterhanden slutter sig sammen og danner Cfio Samtidig med CGo-molekylet

Kovalent binding

dannes andre carbonmolekyler, i s z r C,,,, der har form som en rugbybold (molekylet er lidt aflangt). I modsztning ti1 diamant og grafit er det muligt at bringe C,, i oplosning. Man bruger som regel opl0sningsmidlet benzen (C6H6). Benzenopl0sningen af Cso er violet. Opl0sningen indeholder naturligvis C,,,,-molekyler. Forskningen i disse nye carbonmolekyler tog fart i 1990. Det har vzret nzvnt, at man en gang i fremtiden vil kunne fremstille C, ti1 ca. samme pris som aluminium. Deter endnu uklart, hvad man kan anvende stoffet til. Med en forstmret kopi af figur 55 kan man lave en papirmodel af Cbo-molekylet.Man skal bruge en saks og en limstift. Klip forst rundt langs figurens ydergrznse, s i man stir med et stykke papir, der bestir af netop de viste sekskanter. Klip s i ind midt gennem de tykke streger og klip de 8 sekskanter ud, der er mzrket nude. 1

Figur 55. Skabelon ti1 frernstilling af en papirmodel af C6@ Figuren forstmrres, sb den fylder en A4-side. Hvis man anvender farvet papir, vil modellen vaere velegnet ti1 at haenge pa juletraeet.

Ved at klippe gennem de tykke streger har man adskilt to nabosekskanter, som nu skal limes sammen, s i de przcist dzkker hinanden. Derved bliver det udklippede sekskantede hul ti1 et femkantet 11111,samtidig med at figuren begynder at krumme. Dette limearbejde giver 8 femkanter. Nir man er kommet s i langt, kan man umiddelbart se, hvordan figuren laves fzrdig, s i den bestir af 12 femkantede huller og 20 synlige sekskanter af papir. Opgave 57. Cullinan-diamanten blev fundet i Sydafrika i 1905. Det er den storste diarnant, der nogensinde er fundet. Fmr slibningen vejede den 3106 karat (1 karat er 0,2g). Beregn, hvor mange carbonatorner denne diarnant indeholdt. (Cullinan-diarnanten blev slebet ned ti1 fire diarnanter, hvoraf den stmrste vejer 516 karat. De indgar i de britiske kronregalier).

Et indblik i den

organiske kemi

Organisk kemi

Friedrich Wohler 1800-1882 Tysk kemiker. Wohlers fremstilling af urinstof i 1828 regnes normalt som den forste fremstilling af et organisk stof ud fra uorganisk stof, men allerede i 1824 havde han fremstillet oxalsyre af uorganiske stoffer. Wohler var den forste, som fremstillede frit be ryllium (grundstof nr. 4).

rt!

Grundstoffet carbon danner en lang nekke forskellige kemiske forbindelser. Disse stoffer kaldes organiske stoffer. Organisk kemi er carbonforbindelsernes kemi. .... Den uorganiske kemi omfatter de ikke-carbonholdige stoffer. Dog henregnes carbonmonoxid, carbondioxid, metalcarbonater og enkelte andre carbonforbindelser til den uorganiske kemi. Disse stoffers egenskaber placerer dem naturligt i den uorganiske kemi. Historisk set har ordet organisk oprindeligt haft en anden betyd ning. Man betegnede et stof som organisk, hvis man havde isoleret stoffet ira organisk materiale, dvs. fra plante- eller dyremateriale. Uorganiske stoffer udvandt man at mineraler. Man troede, at der var en grundl<eggende forskel pa de to stof grupper: Uorganiske stoffer kunne man fremstille i et kemisk labo ratorium, hvorimod organiske stoffer kun kunne dannes i levende organismer. Dannelsen at organiske stoffer skete nemlig under medvirken af en s<erlig »livskraft«. I 1828 lykkedes det imidlertid for den tyske kemiker Friedrich Wohler at fremstille det organiske stof urinstof af uorganisk stof i et kemisk laboratorium. Teorien om livskraften blev dog ikke opgivet pa en gang som f0lge at dette fors0g, men den forsvandt lidt efter lidt efterhanden som flere og flere organiske stoffer blev frem stillet kunstigt. Allerede f0r Wohlers tid var man klar over, at organiske stoffer indeholdt carbon. Fra omkring 1850 lykkedes det at fremstille en r<ekke carbonforbindelser, som slet ikke forekommer i plante- eller dyreverdenen. De nye stoffer adskilte sig ikke kemisk set fra de forbindelser, som man kunne isolere ira plante- eller dyremateri ale. Det blev efterhanden klart, at det karakteristiske for de organi ske stoffer ikke var deres oprindelse, men deres sammens<etning og opbygning. Man har bevaret betegnelsen organisk kemi, men altsa nu i betydningen carbonforbindelsernes kemi. Der fremstilles rundt regnet 10000 nye stoffer hver uge. Man isolerer bestandigt nye, hidtil ukendte stoffer fra naturen, men de fleste nye stoffer fremstilles at andre stoffer i kemiske laboratorier.

•

tmnM'nrtri'7t'hiWft '_ .rfiTm::S,l,.ntt ertetnd'S., rrter rwttnnw . .,.,..4

Et indblik

den organiske kemi

En laboratoriefremstilling at et stof kaldes ogsa en syntese at stof fel. Man kender over 10 millioner kemiske stoffer, og ca. 95% at disse stoffer er organiske stoffer. Sammenlignet med de andre grund stoffer rna carbon besidde en ganske scprlig »evne« til at danne for skellige kemiske forbindelser. Den organiske kemi har enorm teknisk, medicinsk og biologisk betydning. Ncpsten aIle de stoffer, der anvendes som farvestoffer, lcpgemidler og vaske- og rensemidler er organiske stoffer. Kul, olie og naturgas bestar at organiske stoffer. Papir, plastic og kunststof fer (nylon, acryl, terylene og mange andre) er organiske stoffer. AIle levende organismer er opbygget at organiske stoffer. De ke miske reaktioner, som foregar i levende organismer, er organisk kemiske reaktioner osv.

Carbonatomets bindingsforhold Carbonatomet er altsa det centrale atom i den organiske kemi. I or ganiske stoffer er atomerne bundet sammen med kovalente bin dinger. Methan er det simpleste organiske stof: H

H;C~H

H-C-H

Methan er hovedbestanddelen at naturgas. Desuden indeholder naturgas ethan, der har molekylformlen CZH6• En molekylformel gengiver blot molekylets sammenscptning. Formlerne nedenfor viser, hvordan man kan angive ethanmolekylets opbygning:

H H

H H I

H-C-C-H

H H

Disse formler kaldes strukturformler. En strukturformel viser atomernes rcpkkef0lge i molekylet, og den kan skrives som en elektronprikformel eIler en stregformel, men som regel vil man anvende en at de kompakte skrivemader til h0jre for stregformlen. Lreg mcprke til, at den viste binding i CH 3 - CH 3 er en binding meIlem de to C-atomer. Man opfatter CH 3 som en velkendt gruppe at atomer, der binder sig til resten af molekylet med en binding, som udgar fra C-atomet. Et stofs strukturformel fortcpIler, hvilke atomer der er bundet sammen, men den gengiver ikke molekylets rumlige opbygning.

Et indblik

den organiske kemi

Som vist pa figur 56 er der tetraederopbygning omkring begge catomer i ethanmolekylet. Figuren viser to opbygninger af mole kylet, og de er betegnet a og b. Opbygning b er ustabil, fordi H-ato merne sidder over for hinanden, og det er »ugunstigk

Figur 56. To molekyl modeller af ethan, der har form len CH 3 CH 3 .

Ved stuetemperatur viI mange molekylsammensted vrere voldsom- .. me nok til at fremtvinge en drejning omkring C - C-bindingen, sa molekylet passerer gennem den ustabile tilstand b. Der er »fri drejelighed« omkring en enkeltbinding. Det grelder generelt, at der er tetraederopbygning omkring et car bonatom, der danner 4 enkeltbindinger:

~!:\""

tetraedempby.nin. (vinkler pR ca" Hl9°)

Lightergas bestar af stoffet butan, der har molekylformlen C4H lO . Butanmolekylet indeholder en »krede« af 4 C-atomer:

Strukturformlen kan ogsa skrives f.eks. sadan: CH 3 I

CH 3 - CH 2 - CH z Man skal huske, at strukturformlen ikke gengiver den rumlige op bygning. Normalt viI man foretrrekke skrivemaden med vandret krede. I virkeligheden er kreden »puklet« med bindingsvinkler pa ca. 109°. Pa grund af drejeligheden omkring C -C-bindingerne kan kreden antage mange forskellige former, se figur 57. Molekylet er meget »f1eksibelt«. Figur 57. To forskellige rumlige opbygninger af et butanmolekyle (CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 )· H-atomernes placering er blot antydet.

Et indblik

den organiske kemi

Stoffet ethen har molekylformlen CZH4• Ethenmolekylet inde holder en dobbeltbinding: H-C=C-H

H H

Der er en plan opbygning ved et atom, som danner en dobbeltbin ding: \

plan opbygning (vinkler pa ca. 120°)

Modellerne pa figur 58 viser, at ethenmolekylet er plant. Denne plane opbygning har man altid omkring to carbonatomer, som er bundet sammen med en dobbeltbinding. Der er en stiv opbygning omkring en dobbeltbinding, dvs. der er ikke drejelighed omkring dobbeltbindingen. Et molekyle som f.eks.:

har altsa en stiv opbygning omkring dobbeltbindingen og en fleksi bel krede af enkeltbundne carbonatomer. Figur 58. Kalotmodel

og kugle-stavmodel af et

ethenmolekyle,

CH 2 =CH 2 ·

Molekylet er helt plant,

og der er en stiv opbyg

ning omkring dobbelt

bindingen.

To carbonatomer kan bindes sammen med en tripelbinding. Det simpleste eksempel er stoffet ethyn, der har molekylformlen CzH z. Stoffets opbygning er: H-C==C-H

CH==CH

Opbygningen er linemr ved et tripelbundet carbonatom: - C ==

Figur 59. Molekylmodel af ethyn, der har molekyl form len C2 H2 •

linerer opbygning (vinkel pa 180°)

De 4 carbonatomer i ethynmolekylet ligger pa en ret linie, se figur 59. Det fremgar af eksemplerne ovenfor, at et carbonatom danner 4 kovalente bindinger. Vi har indtil nu set eksempler pa carbon hydrider, dvs. forbindelser af carbon og hydrogen. Carbonhydrider kaldes ogsa kulbrinter. AIle organiske stoffer indeholder carbon. Sa godt som aIle organiske stoffer indeholder hydrogen, og mange indeholder des uden oxygen. Derudover kan organiske stoffer indeholde nitro-

':'-.~

Et indblik

•

den organiske kemi

gen, phosphor, svovl og halogener. Vi skal i denne bog n0jes med at !cere grundprincipperne i den organiske kemi, og det g0r vi ved at koncentrere os om carbonhydriderne.

Opgave 58. Et stof har strukturformlen CH z= CHCHCH zCH zCH 3 . I CH 3 a) Skriv en stregformel for molekylet. b) Hvad er stoffets molekylformel? c) Redegm for den rumlige opbygning og byg eventuelt en model af mole kylet.

Opgave 59. Et stof har molekylformlen CSH8 . Skriv en mufig strukturformel for stoffet. Har opgaven flere losninger?

Alkaner Alkaner er carbonhydrider, som kun indeholder enkeltbindinger.

De tre simpleste alkaner er: CH 4 methan

propan

Fortscptter vi med at forlcpnge kcpden pa denne made, far vi de ufor grenede alkaner. Hexan er et eksempel pa en alkan med en noget lcpngere carbonkcpde. Vi skriver formlen pa to milder:

H H H H H H I

H-C-C-C-C-C-C-H I

hexan

En optcplling viser, at der er 6 C-atomer. Da der sidder to H-atomer pa hvert C og et ekstra H i hver ende, indeholder stoffet 2·6+ 2 = 14 hydrogenatomer. Ud fra dette eksempel er det let at indse, at den

H H H H H H

Figur 60. Molekyl modeller af butan og 2-methylpropan. Begge disse stoffer har molekyl form len C4 H lO •

Et indblik

den organiske kemi

generelle molekylformel for alkanerne er Cn H2n+Z' hvor n angiver antallet at carbonatomer. Forskellige stoffer kan have samme molekylformel. Dette f.enomen kaldes isomeri. Der er to isomere alkaner med molekyl足 formlen C4H lO , se figur 60. Den ene isomer har en uforgrenet car足 bonk.ede, mens den anden har en forgrenet k.ede: CH 3 -CH-CHo I J

CH 3 butan. kp. DOC

.....

..... \

label 14. Navne, mole-

2-methylpropan, kp. -12属C

De to stoffers kogepunkter er anfort for at vise, at der er tale om to forskellige stoffer. Navnet for den forgrenede isomer fremkommer ved at anvende nogle regler for systematisk navngivning, som forklares i det folgende. Vi ser forst pa navnene pa de uforgrenede atkaner. Navnene for de 12 forste fremgar at tabel 14. Bem.erk endelsen -an pa navnene (som i ordet alkan). Navn

Molekylformel

Antal isomere

kylformler og antal isomere for alkanerne med op til 12 carbonatomer. ,

Methan

CH 4

Ethan

C2HG

Propan

C3 Hs

Butan

C4 H,o

Pentan

CS H'2

Hexan

CGH'4

Heptan

C7 H,G

Octan

CsH,s

Nonan

C9 H20

Decan

C,oH n

Undecan

C"H 24

159

Dodecan

C'2 H2G

355

De anforte navne gcelder for de uforgrenede alkaner.

Antallet at isomere stiger kraftigt, mrr antallet at carbonatomer fomges. Man har beregnet, at der er 36797588 isomere alkaner med molekylformlen Cz5 H"z. Som hj.elpemiddel ved den systematiske navngivning indfores et nyt begreb, nemlig en alkylgruppe. En alkylgruppe (ogsa kaldet et alkyl) er den gruppe atomer, man har tilbage, nar man fjerner et H足 atom fra en atkan. Hvis man fjerner et endestillet H-atom fra de forste 4 alkaner, far man folgende alkylgrupper:

,~.

Et indblik

den organiske kemi

CH 3 -

CH 3CH z -

CH 3CH zCH z -

CH 3CH zCH zCH z

methyl

ethyl

propyl

butyl

Man ser, at i disse tilfcelde fremkommer alkylets navn af alkanens navn ved at cendre -an til -yl (sammenlign alkan til alkyl). En alkyl gruppe er ikke et stof. Det er en gruppe atomer, som er bundet til noget andet med den binding, der i formlerne ovenfor er markeret med en streg. Reglerne for systematisk navngivning af forgrenede alkaner forklares ved at betragte folgende eksempel: 1234567

CH 3 -CH -CHz-CHz-CH -CH z -CH 3 I

CH 3

CH z 1

CH 3

5-ethyl-2-methylheptan

Nar man skal give en alkan navn, finder man den lmngste carbon kcede i molekylet. Den er i dette eksempel pa 7 carbonatomer, og navnet skal da vcere noget med heptan. Pa denne syv-leddede kcede sidder der to alkylgrupper som side kceder. For at angive placeringen af sidekcederne nummererer vi carbonatomerne i den lcengste kcede, og vi nummererer forelobigt fra den venstre ende. Pa C-atom or. 2 sidder der en methylgruppe og pa or. 5 en ethylgruppe. Disse alkylgrupper ncevnes i al/abetisk rmkke!olge, og navnet bliver 5-ethyl-2-methylheptan. Hvis vi havde nummereret carbonkceden fra hojre, ville navnet vcere blevet 3-ethyl-6-methylheptan. Dette navn er ukorrekt, idet regIerne siger, at man skal nummere fra den ende, som giver de laveste tal i navnet. Mere prcecist kan vi sige, at man skal se pa placeringen af forste sidekcede. Hvis man i eksemplet ovenfor gar ind i carbonkceden fra venstre, moder man en sidekcede allerede pa carbonatom or. 2. Gar man ind fra hojre, moder man forst en sidekcede pa carbon atom nr. 3. Det er derfor korrekt at nummerere fra venstre. Hvis forste sidekcede ikke afgor nummereringsretningen, skal man se pa placeringen af anden sidekcede osv. I denne sammen hceng er det ligegyldigt, hvilke sidekceder der er tale om. Vi tager endnu et eksempel:

II "

il!

CH 3 1

:,1

CH 3

CH 3 -CH z -C-CH z -CH -CH -CH -CH z -CH 3 1

CH 3

CH z

CH 3

5,7-diethyl-3,3,6-trimethylnonan

" ,,,,,"Wfii:

h.,.

iii! , . ,

"f'

r"tttt'}(trntev 11'$'4 db '

CH z

Et indblik

Tabel15. Talforstavelser. 1 mono-

6 hexa

2 di-

7 hepta

3 tri-

a octa

4 tetra-

9 nona

5 penta-

10 deca-

den organiske kem;

Her skal vi nummerere fra venstre. Hvis vi gar ind fra venstre, er der nemlig to sideka:der pa carbonatom nr. 3. Gar vi ind fra h0jre, er der kun en sideka:de pa nr. 3. Bema:rk, at tallene angiver alkylgruppemes placering, mens for stavelseme di- og tri- angiver anfallef af den paga:ldende alkyl gruppe. Antallet angives med de sa:dvanlige talforstavelser, se tabel15. Som na:vnt skal alkylgrupperne komme i alfabetisk ra:kkef0lge i navnet. Ethyl kommer f0r methyl, som kommer f0r propyl osv. Denne ra:kkef0lge a:ndres ikke, nar der kommer talforstavelser pa alkylnavnene. Ethyl kommer altsa f0r dimethyl, fordi e kommer f0r m i alfabetet. Der er tre isomere alkaner med molekylformlen CSH1Z ' De har f0lgende strukturformler:

pentan

CH 3 I

CH 3 CH- CH z CH 3 I

CH 3 2-methylbutan

CH 3 C- CH 3 I

CH 3 2,2-dimethylpropan

I nogle simple navne kan tallene udelades. F.eks. kan man sige methylbutan i stedet for 2-methylbutan uden at blive misforstaet, idet methylgruppen i methylbutan kun kan sidde pa carbonatom nr. 2. Hvis methylgruppen i stedet sad pa carbonatom nr. 1, ville stoffet jo ikke va:re methylbutan, men derimod pentan, da alka nens navn skal dannes af den la:ngste ka:de. For at undga fejltagelser ved navngivningen b0r man altid skrive formlen for en alkan med lmngsfe kmde vandref.

Opgave 60. 5kriv strukturformler og navne for samtlige isomere med mole kylformlen C6 H 14 . Opgave 61. 5kriv strukturformler og navne for samtlige isomere med mole kylformlen C7H,6' Opgave 62, Skriv strukurformel for 2,2,4-trimethylpentan og for 3-ethyl-2,4-dimethylhexan.

Opgave 63. Skriv strukturformel for propylheptan.

Et indblik

den organiske kemi

Opgave 64. Angiv navne for de to stoffer, der har folgende strukturformler: CH 3 I

CH 3 -~H -~H - CH 2 -CH 2 -~ -CH 3 CH 3 CH 2

CH 3

Alkanernes egenskaber Man skelner mellem et stofs fysiske egenskaber og dets kemiske egenskaber. De fysiske egenskaber omfatter stoffets smeltepunkt, kogepunkt, densitet, opl0selighedsforhold osv. De kemiske egen足 skaber vedmrer kemiske reaktioner med stoffet, dvs. en omdan足 nelse at stoffet til andre stoffer. .."~

........'!

Fysiske egenskaber Pa figur 61 ses smeltepunktet og kogepunktet for de f0rste 20 ufor足 grenede alkaner. Som man ser, gcelder det uden undtagelse, at femperatu!,/"C

Figur 61. De forste 20

uforgrenede alkaners

4{)0

kp.

smeltepunkt og koge足 punkt (ved trykket

300

1,013 bar).

200 100 smp.

-1 anta! C- afomer

kogepunktet vokser, nar antallet at carbonatomer 0ges. Dette er i overensstemmelse med en generel regel: Hvis man har en rcekke stoffer, som er opbygget pa samme made, vokser kogepunktet med stigende molekylst0rrelse,

....

efl.

rtW'trtt'b 7' WTfttrttul"#m'rrrtrst'nrttt$ II

II'

2er

...

Et indblik

den organiske kemi

Kogepunktet for de f0rste 4 alkaner ligger under stuetemperatur. De er altsa gasser ved stuetemperatur og atmosf<eretryk. Butans kogepunkt ligger ved O°C, og det kr<ever kun et relativt liBe over tryk at have butan pel v<eskeform ved stuetemperatur. Butan an vendes som lightergas. Inde i gaslightere, der er lavet af gennem sigtig plastic, kan man se flydende butan. Nar man abner for lighte ren, strommer der gasformig butan ud. De uforgrenede alkaner med fra 5 til 16 C-atomer er v<esker. mens uforgrenede alkaner med over 16 C-atomer er faste stoffer ved stuetemperatur. Paraffin bestiir af faste alkaner. Indtil nu har vi kun set pa de uforgrenede alkaner. De tre iso mere alkaner med molekylformlen CSH 1Z har f0lgende kogepunk ter: CH 3 I

CH3CHCH zCH3 I

CH 3

H2 0

Figur 62. Heptan er sa

godt som uoploselig i vand, men fuldsta=ndigt blandbar med ethanol.

CH3CCH 3 I

CH 3

pentan

2-methylbutan

2.2-dimethylpropan

kp.36°e

kp.28°e

kp. lODe

Det h0jeste kogepunkt har den isomer, som har den l<engste car bonk<ede. Tilsvarende g<elder for andre alkaner. Alkaner (og andre carbonhydrider) er vandskyende stoffer. De kan ikke opl0ses i vand. Hvis man h<elder heptan og vand op i et reagensglas, far man to adskilte v<eskelag. Heptanen Jigger 0verst, da den har lavere densitet end vand, se figur 62. Derimod kan heptan op10ses i ethanol (CH 3CH zOH). Disse to v<esker kan blandes fuldst<endigt. Alkaner anvendes som op10sningsmidler i industrien. Eeks. an vender man hexan til at udtr<ekke olie fra plantefro. I husholdnin gen bruger man rensebenzin, der er en blanding af alkaner. Rense benzin indeholder bl.a. heptan.

Kemiske egenskaber Det er en simpel sag at redeg0re for alkanernes kemiske egen skaber. Alkanerne er nemlig meget reaktionstra?ge, men de kan dog bringes til at reagere ved h0j temperatur. De kan f.eks. rea gere med oxygen, dvs. de kan br<ende. Ved en fuldst<endig for br<ending dannes der carbondioxid og vanddamp. Reaktions skemaet for forbr<ending af f.eks. pentan bliver altsa:

Et indblik

den organiske kemi

Ved forbr~ndingen »odel~gges« alkanmolekylet fuldst~ndigt, og vi kan derfor nojes med at skrive alkanens molekylformel i reak tionsskemaet. Der er ingen grund til at skrive en strukturformel. Hvis der er mangel pa oxygen, eller hvis forbr~ndingstempera turen er relativt lay, kan forbr~ndingen blive ufuldst~ndig. Sa dannes der carbonmonoxid eller sod, dvs. frit carbon. Carbonmon oxid (»kulilte«) er meget giftigt. Forbr~ndingen af alkaner har stor samfundsm~ssigbetydning. Indholdet at alkaner i nogle br~ndsler er skitseret i tabel 16. Naturgas og de forskellige olieprodukter. omtales side 98-104. label 16. Nogle brcends

Brcendsel

Indhold af alkaner

Biogas

CH 4

Naturgas

CH 4 samt lidt C2H6, C3 Ha og C4 H,o

Flaskegas og autogas

C3 Ha og C4 HlO

ler, der har et stort ind hold af alkaner.

Benzin

Iscer C7 H,6 og CaH,a

Petroleum

C,oH n og hojere

Dieselolie og brcendselsolie

C'2H26 og hojere

Biogas produceres i biogasanl~g ved forri'ldnelse at husdyrgod ning (gylle), men ogsa slam fra rensningsanl~g og andre former for organisk atfald kan anvendes. Methan, der er den br~ndbare del af biogassen, udgor 50-75'YrJ. Resten er CO 2 og mindre m~ngder af andre stoffer. Naturgas bestar at de gasformige alkaner med methan som den dominerende bestanddel. Raolie indeholder alkaner og cyclo alkaner (se side 93). Processerne pa et olieraffinaderi gennemgas pa side 101-104. Her skal det blot n~vnes, at man pa olie raffinaderier adskiller olien i en r~kke fraktioner, der anvendes som benzin, petroleum, dieselolie og br~ndselsolie m.m. De mange alkaner med 6, 7, 8 og 9 carbonatomer udgor en v~sentlig bestanddel at benzin, mens de hojere alkaner indgar i petroleum, dieselolie og br~ndselsolie (fyringsolie). ..

Alkanerne er som n~vnt reaktionstr~ge, men ved hoj temperatur eller under medvirken at lys kan de reagere med C1 2 eller Br2" Hvis man lader en oplosning at brom i heptan sta fremme i lyset i l~n gere tid, kan man se, at bromfarven gradvist forsvinder: C7 H16 + Br2

---'>

C7H 1S Br + HBr

En si'ldan reaktion kaldes en substitutionsreaktion:

ntntrmtw"'! 'Hrm:Mt'rnM'frmr 'elttt·

Et indblik

den organiske kemi

Ved en substitution udskiftes et atom (eller en atom gruppe) med et andet atom (eller atomgruppe). I reaktionen mellem brom og heptan udskiftes et H-atom i heptan molekylet med et Br-atom. Chlor reagerer pa tilsvarende made. Som eksempel tager vi reaktionen mellem chlor og methan:

Chlormethan kan reagere videre med chlor til dichlormethan:

Reaktionen kan ga videre til trichlormethan, CHCI3, og tetrachlor methan, CCI 4 . Ved chloreringen af methan ender man med en blan ding af CH 3CI, CHzClz, CHCl 3 og CCl 4 og eventuelt ureageret CH 4• Reaktionsprodukterne kan adskilles ved destillation.

Opgave 65.

Br~ndselsolie (fyringsolie)

indeholder bl.a. tetradecan, der har

molekylformlen C'4H30' Skriv et afstemt reaktionsskema for den fuldst~n dige

forbr~nding af

tetradecan.

Opgave 66. Vi ser pi! reaktionen mellem heptan og bromo Antag, at kun et enkelt af H-atomerne i heptanmolekylet udskiftes med et Br-atom. Hvor mange forskellige bromheptaner kan der dannes?

Alkener Alkener er carbonhydrider, der indeholder en dobbeltbinding mel lem to carbonatomer. De indeholder derfor to H-atomer frerre end de tilsvarende alkaner, og den almene molekylformel er CnH Zn (n ~ 2). Alkenernes navne dannes af de tilsvarende alkaners navne ved at rendre -an til-en (alkan til aIken). De simpleste alkener er: CHz=CH z

CHz=CH -CH 3

CH z = CH - CH z - CH 3

ethen

propen

I-buten

Ettallet i I-buten angiver, at dobbeltbindingen udgar fra carbon atom nr. 1. CH 3 - CH = CH - CH 3 hedder 2-buten, men denne for mel er ikke entydig. Der er to isomere 2-butener, som har forskellig opbygning omkring dobbeltbindingen:

den organiske kemi

Et indblik

CH 3

H \

C=C \

CH 3

C=C

CH 3

tralls-2-buten

cis-2-buten

Som f0lge af den fastlaste opbygning ved dobbeltbindingen svarer disse to formler til to forskellige stoffer, se figur 63. Figur 63. Molekyl modeller af cis-2-buten 09 trans-2-buten. ,

cis

Denne form for isomeri, som altsa skyldes den manglende dreje lighed omkring dobbeltbindingen, kaldes cis-trans-isomeri. Cis forbindelsen er den at de to isomere, hvor to ens grupper (her de to methylgrupper eller de to hydrogenatomer) sidder pa samme side at dobbeltbindingen. I trans-forbindelsen sidder ens grupper pa hver sin side at dobbeltbindingen, sa de er tvrers over for hin anden. Vi ser pa endnu et eksempel: H \

CH zCH3

CH 3C=C H )"

v::-::::t;~vning at fOrgrened:r:;~:::~t:~al navnet baseres pa den lcengste kcede, som indeholder dobbeltbindingen. C-atomerne i kceden nummereres fra den ende, som giver dobbeltbindingen la vest muligt tal. Eksempler: CH3 1

CH z =C-CH z-CH 3 I

CH z I

CH 3 - C - CH z- CH = CH z I CH3

I ~

CH 3 2-ethyl-l-buten

4,4-dimethyl-l-penten

Fremstilling atalkener Man kan fremstille ethen ved at fraspalte et vandmolekyle fra et ethanolmolekyle:

't' Ii rtr·

Et indblik

den organiske kemi

'. r

H H I

H-C-C-H

H H I I H -C=C- H + H20

H O-H

ethanol

En reaktion, hvor der fraspaltes noget fra et organisk stof, kaldes en eliminationsreaktion: Ved en eliminationsreaktion fraspaltes der et mindre molekyle fra et organisk stof under dannelse at en dobbeltbinding (eventuelt en tripelbinding). I fors0get pa figur 64 sker vandfraspaltningen fra ethanol under medvirken at koncentreret svovlsyre. Figur 64. Man kan frem stille ethen ved at ophede en blanding af 109 sand, 20mL ethanol og 50mL kone. svovlsyre til ca. 170°C. Den dannede ethen pavises med bromvand. Pi! figuren opsamles ethen i et cylinderglas. - -

Pavis, at ethen kan

0 0

0:'

braende ved at antaende cylinderglassets indhold.

fort NaOH

Ved fors0get pa figuren er dannelsen af ethen ikke den eneste reaktion, som forl0ber. Der sker nogle sidereaktioner, hvor der bl.a. dannes frit carbon og svovldioxid. Opstillingen indeholder en vaskeflaske med en NaOH-opI0sning, hvor svovldioxid opl0ses. Industrielt fremstilles ethen og andre alkener ved cracking af al kaner fra raolie. se side 103. Ved en cracking ophedes alkanerne kraftigt, hvorved molekylerne gar i stykker i mindre dele.

\ Opgave 67. Hvilke alkener kan taenkes dannet ved elimination af vand fra stoffet CH 3 CH 2 CHOHCH 3 ?

_.~.

Et indblik

den organiske kemi

Alkenernes egenskaber

•

De fysiske egenskaber for alkenerne afviger kun ubetydeligt fra de tilsvarende alkaners. Eeks. er ethen en gas ligesom ethan, og begge disse carbonhydrider er uoploselige i vand. Ligesom alkanerne kan aIkenerne brcpnde (ncpsten aIle organi ske stoffer er brcpndbare). Bortset herfra er der stor forskel pi\. al kenernes og alkanernes kemiske egenskaber. Alkenerne er nemlig reaktionsdygtige stoffer, der kan deltage i sakaldte additionsreak tioner: Ved en additionsreaktion Icpgges der noget til et organisk stof under sprcpngning af den ene af bindingerne i en dobbeltbinding (eller en tripelbinding). Som eksempel kan vi se pa additionen at brom til ethen:

H H

H H I

H-C=C-H + Brz

H-C-C-H

Br Br 1,2-dibromethan

Reaktionen sker ved stuetemperatur, nar ethen kommer i kontakt med bromo Man kan f.eks. lede ethen ned i en oplosning at brom i vand (»bromvand«). Ved tilledning at ethen i overskud ser man bromvandets orange farve forsvinde, idet reaktionsproduktet er farvelost. Der er tale om en hurtig reaktion. Andre alkener reage rer pa tilsvarende made, f.eks.: CH z = CH - CH z - CH 3 + Brz

•

CHzBr- CHBr- CH z- CH 3

Forlobet af en additionsreaktion er stort set uafhcpngigt af dobbelt bindingens omgivelser i alkenmolekylet. Vi kan derfor gene ralisere ved at skrive additionen at brom saledes: I

-C=C- + Brz

-C-C I

Br Br

En rcpkke andre stoffer kan ligesom brom adderes til en dobbelt binding. Under passende forsogsomstcpndigheder kan man Hi alke ner til at addere f.eks. chlor, hydrogen, hydrogenchlorid eller vand: I

-C=C- + C1 2 )

~" ..

-C-C I

CI CI

Et indblik

den organiske kemi

-C=C- + Hz

-'>

-C-C I

H H I

-C=C- + HCl

-'>

-C-C I

H Cl I

-C=C- + HzO

-'>

-C-C I

H OH Et organisk stof kaldes umG'ftet, hvis det kan deltage i den type additionsreaktioner, som vi har gennemgaet ovenfor. Alkenerne er altsa um<ettede. Det er nemt at undersege, om et stof er um<ettet. Man pmver blot, om stoffet affarver bromvand. Pa den made kan man Leks. pavise, at vindruekerneolie indeholder um<ettede fedtstoffer. Alkener anvendes til fremstilling af plastic. Ved en sakaldt poly merisationsreaktion kobles mange sma molekyler sammen til et stort molekyle. Som eksempel tager vi polymerisationen af ethen: CH z =CH z + CHz=CH z + CHz=CH z + ....

-'>

- CH z - CH z- CH z-CH z- CH z -CH z -

Det dannede stof kaldes polyethen eller polyethylen (ethylen er et gammeldags navn for ethen). K<eden er meget lang, den inde holder maske 100000 carbonatomer. Ude for enden af k<eden sid der der rester af det stof, man har tilsat for at starte polyme risationen. Figur 65. Deklaration fra en plasticbcerepose.

DEKLARATION MATERIALE: MATERIALE· TYKKELSE: DIMENSIONER; ANVENDELSE:

Brerepose.. Hejtrykspolyelhylen. Tykkelse (0.048 mm). Bredde: 41,5 em. Heide; 45 em. BUDd: 10 em. Ber ikke fyldes mere end at breregrebene kan aamles i handen. Ber ikke udsrelles for akarpe melaldele el. IIgn. ~ Max. brereeyne: 10 kg. ~

ANVENDELSE: Kan bruges Igen og Igan Slds! III aflald. DESTRUKTION;Kasl ikke posen I naluren. Polyelhylen er sammensal af kUlog brlnt,aom Yad lornrren· ding glr Ilornindeise mad luftens lit og udYlkler Yand (HPl og kuldloxyd (CO,). Bestanddele,som dlrekte glr Ind 1naturens kredsleb. ADVARSEL: Plastposer kan yrere larllgl II! legetel lor lMilm. ~

Kemisk set er polyethen en alkan. Polyethen kan br<ende, se figur 65, men er ellers meget lidt reaktionsdygtigt. Polyethen udgor knap halvdelen af den plastic, der bruges i Danmark. Polyethen an vendes Leks. til plasticposer, folier, flasker, spande, dunke osv. Opgave 68. Skriv strukturformler for folgende stoffer:

l-penten, 3-methyl-l-hexen, 2-methyl-2-penten og methylpropen.

Et indblik

den organiske kemi

Opgave 69. Skriv reaktionsskemaet for addition af brom til 2-methyl-2-hexen.

Opgave 70. Hvilket stof dannes ved addition af hydrogen til 1-penten?

Opgave 71. Skriv reaktionsskemaet for additionen af vand til ethen.

Opgave 72. Polypropen er en vigtig form for plastic, som bruges til f.eks. bcegre, tandborster, engangsbleer, gulvtcepper, tovvcerk og snor. Pmv at skrive et reaktionsskema for polymerisationen af propen.

Alkyner En alkyn indeholder en tripelbinding. Eksempler: H-C=C-H

H -C=C-CH 2-CH 3

ethyn

I-butyn

propyn

Navnet for en alkyn ender pa -yn. Alkynernes molekylformel kan skrives Cn H 2n - 2 (n ~ 2). Alkyner er um<ettede stoffer. Der kan ske en addition til tripel bindingen, som omdannes til en dobbeltbinding. Vi ser pa additio nen at brom til ethyn: CH =CH + Br2--> CHBr=CHBr Det dannede stof kan bringes til at reagere videre: CHBr=CHBr+B~

CHB~-CHB~

Alkyner kan naturligvis br<ende. I luft br<ender ethyn med en so dende flamme, men hvis ethyn blandes med oxygen, forlober for~

br<endingen fuldst<endigt: 2C 2H2 + 50 2

4C0 2 + 2H 20

Rlandingen at ethyn og oxygen anvendes til svejsning, Idel flam- • metemperaturen bliver meget hoj. Ethyn kaldes ogsa acetylen.

Cycloalkaner og cycloalkener Indtil nu har vi kun omtalt »k<edeformede« carbonhydrider. De kaldes ogsa alijatiske carbonhydrider. I et alifatisk carbonhydrid danner C-atomerne en uforgrenet eller forgrenet k<ede. Et cyclisk carbonhydrid indeholder carbonatomer bundet sammen i en ring.

m n:

*di '''; ..

E tin d b I i ki den

r g ani s k eke m i

En cycloalkan indeholder kun enkeltbindinger. Den simpleste cycloalkan er cyclopropan, hvis molekylformel er C3H6. Vi kan vise opbygningen af cyclopropan pa tre milder:

Den sidste skrivemade anvendes meget for cycliske forbindelser. I hvert hjorne er der underforstaet et C-atom. Hvert C-atom danner som bekendt 4 bindinger, hvoraf kun de to er anfort i formlen. De manglende bindinger gar til H-atomer. Sidder der andre atomer end H, skal de udtrykkeligt angives. Cycloalkanernes navne dannes pa simpel made:

cyclobutan

cyclopentan

C4Hg

CsHJO

cyclohexan

C(iH 12

Den almene molekylformel for cycloalkanerne er CnH 2n (n ~ 3). De er isomere med alkenerne. Folgende eksempler viser navngivning at cycloalkaner med sidekceder:

' Y 4

[( CH 3 methylcyclopentan

CH 3

1.3-dimethylcyclohexan

Sidekcedernes placering angives ved at nummerere carbonatomer ne i ringen. Nummereringen skal ske saledes, at tallene i navnet bliver sa sma som muligt. Det hedder 1,3-dimethylcyclohexan og ikke f.eks. 2,4-dimethylcyclohexan.

Figur 66. Model af cyclo

hexanmolekylet.

~.'

w¥tel's.,--

Et indblik

den organiske kemi

En model at cyclohexanmolekylet ses pa figur 66. Cyclohexan ringen er ikke plan. Bindingsvinklerne er ca. 109° som i en kcedeformet alkan. Det er derfor ikke overraskende, at cyclohexan og hexan har de samme kemiske egenskaber. Generelt kan vi sige, at cycloalkanerne har de samme egenskaber som alkanerne, dvs. de er meget lidt reaktionsdygtige. Der er dog en undtagelse fra denne regel, idet cyclopropan er ret reaktionsdygtig. I cyclopropan er C - C - C-bindingsvinklerne kun 60° (se figur 67). Vinklerne er altsa meget mindre end den norma Ie bindingsvinkel pa 109,5°. Der er »spcendinger« i ringen, og der for kan cyclopropan deltage i en slags additionsreaktioner, f.eks.:

/~2

CHz-CH z + Brz

---'3>

CH zBr-CH z -CH2Br

Ved reaktionen sprcenges der en binding mellem to af carbon atomerne i ringen, sa ringen abnes. Der binder sig et bromatom til hvert af de to carbonatomer. Figur 67. Molekyl modeller af cyclopropan og cyclobutan. Cyclobutanringen er ikke he It plan, men afvigelsen er sa lille, at den ikke ses pa figuren.

I cyclobutan er C - C - C-bindingsvinkleme ca. 90° (cyclobutan ringen er ikke helt plan). Ringspcendingen er meget mindre end i cyclopropan, og cyclobutan er ikke scerlig reaktionsdygtig. Eeks. kan man ikke ilbne cyclobutanringen ved reaktion med bromo En cycloalken er et cyclisk carbonhydrid, som indeholder en dob beltbinding. Vi nojes med et enkelt eksempel:

cyclohexen, C6H lO

Dette stof reagerer som en aIken.

Opgave 73. Angiv molekylformler for folgende to stoffer:

efrs,?, it '77' ,tetter

t ':

'l,.

Et indblik

den organiske kemi

Opgave 74. Skriv reaktionsskemaet for den fuldstcendige forbrcending af cyclohexan.

Opgave 75. Skriv reaktionsskemaet for additionen af brom til cyclohexen. Prov at navngive reaktionsproduktet.

Aromatiske carbonhydrider (arener) Cyc10hexan (C 6H1Z ) og cyc10hexen (C 6HIO ) bestar som n<pvnt af seksleddede ringe. Vi skal nu se pa opbygningen af et stof, som hedder benzen. Benzen er en v<pske med molekylformlen C6H6• Molekylet kunne v<pre en seksleddet ring med skiftevis enkelt bindinger og dobbeltbindinger: H I

H~C/C~/H II

H/C~C-;?C'-H

eller skrevet kort

O~/

H Et stof med denne opbygning skulle forventes at deltage i additionsreaktioner. Pa figur 68 ses et forsog med benzen og brom vand. Man konstaterer, at benzen ikke reagerer med brom fra bromvand. Figur 68. En blanding af bromvand og benzen for og efter omrystning. Ben zen 09 vand blandes ikke. Ved omrystningen gar det meste af bromen op i

Dr:.

benzenlaget, da brom er meget lettere oploselig i

fer'

effer

benzen end i vand. Bromfarven forsvinder ikke, dvs. der er ikke sket

en kemisk reaktion mel lem benzen og bromo

Hvis man laver forsoget med cyc10hexen i stedet for benzen, kon staterer man, at cyclohexen let adderer bromo Benzens manglende evne til at addere brom tyder pa, at benzenmolekylet ikke indehol der dobbeltbindinger. Formlen ovenfor giver derfor et lidt forkert billede at benzens opbygning. For at forsta benzenmolekylets opbygning skriver vi en formel, hvor C-atomerne kun danner tre bindinger. Der bliver da en elek tron »til overs« pa hvert C-atom:

Et indblik

den organiske kemi

--------------------------------

Disse 6 elektroner opforer sig »unormalt«. De kan nemlig bevcege sig omkring aIle benzenringens 6 carbonatomkerner. En elektron skymodel ses pa figur 69. De 6 elektroner er delokaliserede, dvs. de horer ikke til et bestemt sted. Figur 69. Elektronskyen

for de 6 delokaliserede

elektroner i benzenmole

kylet ligger oven over og

neden under benzenrin

gens plan.

Til hojre ses en kalot

model af molekylet.

Benzenmolekylet er helt plant, og aIle bindingsvinkler er 120°. Car bonatomerne er bundet sammen med normale enkeltbindinger, og desuden bindes de sammen af den delokaliserede elektronsky. Denne sammenbinding med delokaliserede elektroner kan ikke angives med bindingsstreger. Som regel gengiver man det deloka liserede elektronsystem med en cirkel, sa benzens formel skrives:

eller

Benzen er et eksempel pi! et aromatisk carbonhydrid (kaldes ogsa en aren). Det karakteristiske for aromatiske stoffer er det scerlige »ringformede« elektronsystem. Man kan aflede andre aromatiske carbonhydrider af benzen ved at udskifte et H-atom med en alkyl gruppe, f.eks.:

C6 HsCH:J methylbenzen (toluen)

C6HsCH 2CH 3 ethylbenzen

den organiske kemi

Et indblik

Aromatiske carbonhydrider er sundhedsskadetige. Man anser benzen for at vcere krceftfremkaldende. Benzen er et udmcerket oph~sningsmiddel for mange organiske stoffer, og f0r i tiden blev benzen (»stenkulsnafta«) anvendt i husholdningen som pletrens ningsmiddel. Denne anvendelse er nu oph0ft. Aromatiske carbonhydrider kan bringes til at reagere i nogle scerlige substitutionsreaktioner, som kaldes aromatiske substitu tionsreaktioner. Som eksempler pa aromatiske substitutions reaktioner omtales bromering og nitrering. Ved en bromering ud skiftes et hydrogenatom med et bromatom: C6H6 + Br2

C6HsBr + HBr

-'>

brombenzen

Der skal anvendes scerlige fors0gsomstcendigheder for at fa reak tionen til at forl0be. Man skal tilscette rent brom til en blanding af tor (dvs. helt vandfri) benzen og jernpulver. Med passende sikkerhedsforanstaltninger kan man demon strere reaktionen i et lukket stinkskab. Der tilscettes ca. 2mL brom (anvend handsker) til et reagensglas, der rummer 3mL benzen og lidt jernpulver. Benzen t0rres ved henstand med vandfrit natrium sulfat ca. 1 d0gn. En nitrering er en udskiftning af et hydrogenatom med en nitro gruppe (- NO2), Det sker ved reaktion med salpetersyre: C6H6 + HN0 3

-'>

C6HsN0 2 + H20 nitrobenzen

Reaktionen ser mere rimelig ud, nar man far at vide, at sal petersyre har opbygningen H -0- NO z. Nitreringen af benzen gennemf0res med en blanding af koncentreret salpetersyre og koncentreret svovlsyre. Til sidst ser vi pa opbygningen af aromatiske carbonhydrider, som bestar afflere seksleddede ringe, der er sat sammen. Det sim pleste eksempel er naphthalen:

H,C/C"C/C"C.. . H

10 0 1

eller

H....C"C/C"C......C'H I

naphthalen, ClIIH8

I naphthalen bestar det aromatiske elektronsystem af 10 elektro ner, nemlig 1 fra hvert C-atom. Naphthalen er et fast stof med en

_9_8

----'-__E_t_1_'n_d_b_l_i_k_ _d_e_n_o_y_g_a_n_i_s_k_e_k_e_rn_I_'

--'-..,....-_ _

karakteristisk lugt. Stoffet har tidligere vreret anvendt som m01 kugler. Ved ufuldstrendige forbrrendinger af organiske stoffer dannes der sma mrengder af nogle stoffer, som bestar af tre eller flere seksleddede ringe. Disse stoffer omtales under et som PAH. Dette er en engelsk forkortelse (»polycyclic aromatic hydrocarbons«). Flere af PAH-stofferne er krreftfremkaldende. Det grelder f.eks. benzopyren:

Tobaksmg og udst0dningsgas fra biler indeholder PAH. Der dannes ogsa PAH, nar man fyrer med brrende. Et molekyle som benzopyren er fuldstrendigt plant. Hvis man fortsretter med at udbygge et netvrerk af seksleddede ringe, ender man stort set med rent carbon. Det plane krempemolekyle svarer til et lag i en grafitkrystal.

.', r",:' r't

,"""',

.II

------Opgave 76. Skriv formler, der viser opbygningen af 1,2-dimethylbenzen,

1,3-dimethylbenzen og 1,4-dimethylbenzen.

Er der flere dimethylbenzener end de tre ncevnte?

Hvor mange trimethylbenzener er der?

Opgave 77. Nitrering af aromatiske carbonhydrider er en vigtig reaktion

ved fremstilling af sprcengstoffer. Ved kraftig nitrering af methylbenzen

(toluen) fremstiller man det sprcengstof, som kaldes TNT (»trotyl«).

4 ,

TNT er en forkortelse af TriNitroToluen. Stoffets systematiske navn er

2-methyl-1,3,5-trinitrobenzen. Skriv en formel, der viser stoffets opbygning. ".

Naturgas Naturgas er en blanding af de lavere alkaner, dvs. methan, ethan. propan og butan. Der et lille indhold af pentan og de efterf0lgende alkaner. Ca. 90% af naturgassen er methan. se tabel17.11111 Figur 70 viser det danske transmissionsnet for naturgas. Kun de st0rste mrledninger er taget med. Gassen sendes fra Tyrafeltet i Nords0en ind til gasbehandlingsanlregget ved Nybro nrer Yarde.

Et indblik

den organiske k e m i

99 '~

Tabel17. Naturgassens

Stof

Formel

For behandling Efter behandling

sammensCEtning for og 90,1%

90,7%

Methan

CH 4

Ethan

CZH6

5,1%

5,1 %

Propan

C3 Hs

2,0%

Butan

C4 H,o

1,0%

1.0%

stoffets volumen er angi-

Hojere carbon hydrider

CxH y (x>4)

0,4%

vet i % af gasblandingens

Carbondioxid

COz

1,1%

0,6%

volumen.

Nitrogen

0,2%

Hydrogensulfid

HzS

0,1%

0,0003%

efter behandling pa gas behandlingsanlCEgget. SammenSCEtningen er angivet i volumen%, dvs.

Kilde: Orientering nr. 8,

DONG 1982.

Trykket i »s01edningen« er 140 bar, og mrets diameter er 75cm. Den forste rensning af gassen sker allerede pa produktionsplat formen. Ved denne rensning s0rger man for, at gassens indhold af vanddamp og at h0jere alkaner (pentan, hexan osv.) bliver sa lille, at der ikke sker kondensation i mrledningen. Gasbehandlingsanlceggets vigtigste opgave skulle vcere at rense Figur 70. Det danske naturgasnet.

Transmissionsledning Dansk/tysk transmissionsledning •

Gasbehandli ngsanla:g

.... Naturgaslager •

Kompressorstation

100

Et indblik

den organiske kemi

gassen for H:;S (hydrogensulfid, svovlbrinte), jcevnfor tabel17. Hy drogensulfid er nemlig giftigt, og det tcerer ledningsnettet. Men man skal bemcerke, at tallene i tabellen stammer fra for gasproduk tionen blev sat i gang. Indtil videre har den producerede gas haft et meget lavere indhold af H:;S end angivet i tabel 17, og det har der for ikke vceret nodvendigt at fjerne HzS. Man regner med, at ind holdet viI stige efterhi'mden. Gasbehandlingsanlcegget skal fjerne vanddamp og hojere car bonhydrider fra gassen. Man skal kunne behandle gassen £old stcendigt i tilfcelde af driftforstyrrelser pa produktionsplatformen. Fra gasbehandlingsanlcegget sendes gassen videre ud i transmis sionsnettet med et tryk pa ca. 75bar. Ude i det lokale transmissionsnet holder man et gastryk pa mak simalt 4bar, og i gasmrene i huset ude hos forbrugeren er gas trykket kun 0,02bar over atmosfceretryk.

Olie Sammenscetningen af raolie afhcenger af findestedet. Raolien inde holder lige fra methan og de ovrige gasformige alkaner, som findes oplost i raolien, op til alkaner med maske 70 carbonatomer. Desuden indeholder raolie cycliske carbonhydrider samt sma mren.der or.an;ske 5vov1- o. nitrogenforbinde1ser_ Figur 71. Figuren viser

...-hr------------t .--L------'--,

(meget forenklet) oliens'

l'aff,.nad~t1s f1askegas

gang gennem et olie raffinaderi.

udgangsstoffef' fof' pefrokemisk indusfri benzin '65-2.fdj~l+=.:...::..:..::::..:.c...._----'lI'---tI

jefbenzin petroleum

35O"c

~-T""1

dleselolle

crack· ing -350'C brtendselsolie, L...--'1'-----tI

afsvovling

let brtendselsolie smereolie

vakllllm· desfillafionsres desfillR. lion

rerovn

ri'

rttl,,; "1:

,'ett' tW

asfalt

desfillafion ved afmosftef'efryk

kold raolie

:i_I""",

fling brtendselsolie

It*:lr Or ':ttiT:1fm."lrITtlmlillrICIJIPI'II'••'.IIllt:iilii':"MiIiiii':t::::i:I!fiIii"·ii..<

•

Et indblik

den organiske kemi

101

Figur 72. Destillations kolonner pa et olie raffinaderi. I den haje kolonne sker den indle dende destillation, ja:'!vn for tarnet pa figur 71. Destillationsresten fra denne destillation over fares til vakuum-destilla tionskolonnen. der er det mindre tarn i bag grunden.

I Danmark er der tre olieraffinaderier. De ligger ved Fredericia, Kalundborg og Skcelskor (Stigsnces). Pa et olieraffinaderi sker der forst en destillation af raolien, se figur 71 og 72. Det hoje tarn pa figur 71 fungerer som destillationskolonne. Ved destillationen opdeles olien i en rcekkefraktioner, som aftappes for skellige steder pa destillationstarnet. Jo lcengere nede, man aftap per, desto hojere er fraktionens kogepunkt, og desto flere carbon atomer er der i molekylerne. I gas er der under 5 carbonatomer i molekylerne, i benzin fra 5 til 10 carbonatomer og i let brcendsels olie (fyringsolie til oliefyr) er der fra 12 op til maske 18 carbon atomer.

102

Et indblik

den organiske kemi

En del af n'lOlien har sa hojt et kogepunkt, at den slet ikke de stillerer. Denne destillationsrest, overfores til et vukuumdestilla tion starn, hvor den destilleres ved lavt tryk. Pa billedet figur 72 (forrige side) ser man de to destillationstarne. Fraklionerne fra destillationen af raolien skal gennemga en rc£kke processer, for de er klar til brug. Hvis svovlindholdet er over den tilladle grcense, rna man gennemfore en afsvovling. Ai svovling omtales pa side 168. Benzin bestar hovedsagelig af de forskellige alkaner med 6, 7, 8 og 9 carbonatomer. Forgrenede alkaner giver en bedre benzin end uforgrenede. Hvis benzinens indhold af uforgrenede alkaner er for stort, bliver forbrcendingen [or voldsom, idet der sker en sakaldt detonation; man siger, at motoren banker. Benzinens oktantal vedrorer dens tilbojelighed til at fremkalde bankning, saledes at et hojt oktanlal betyder lille tendens til bank ning. En bil med et hojt kompressionsforhold krcever et hojt oktan tal. Oktantalsskalaen fastlcegges ved at tildele ren heptan oktantal let 0 og ren »isooclan« (2,2,4-trimethylpentan) oktantallet 100:

CH, I

CH 3 -C-CH z -CH -CH 3 I

CH 3 heptan. oktantal 0

~.....

CH 3

2,2,4-trimethylpentan, oktantal IO()

En benzin med oklantallet 97 har samme banketilbojelighed som en blanding, cler bestiir af 97% isooclan og 3% heptan (volumen procent). Man bestemmer banketilbojeligheden ved at male pa forbrcendingen i en provemotor. Pa olieraffinaderier forbedrer man oktantallet ved at gennemfore en proces, som kaldes reforming. Benzinfraktionen ledes ved hoj temperalur hen over en platinkatalysator. Derved sker der en »om formning« a[ molekylerne. Uforgrenede alkaner kan omdannes til forgrenede alkaner. Uforgrenede alkaner kan ogsa omdannes til aromatiske carbonhydrider, Leks.:

CH3CH,CH2CH2CH2CH,CH3

+ 4H2

Aromatiske carbonhydrider har et hojt oktantal. Desvcerre er de aromatiske carbonhydrider sundhedsskadelige, sa det er betcen keligt med et stort indhold af disse sloffer i benzin. Der fordamper betydelige mcengder benzin, f.eks. ved tankning,

_~,t4'*a

tIlt'

ttl>?

r [(litton? .'Strrnr=-m

Et indblik

103

den organiske kemi

og man kan ikke undga at indande benzindampe. Det er srerlig betrenkeligt, hvis benzinen har et stort indhold af benzen. Som tidligere nrevnt anser man benzen for at vrere krreftfremkaldende. Man har fastsat, at benzin ikke rna indeholde mere end 5% benzen. Man kan hreve oktantallet med forskellige tilsretningsstoffer. AI mindeligt brugt er stoffet MTBE (methyl-tertirerbutylether). Delle stof har folgende opbygning: CH 3 I

CH 3 -O-C-CH 3 I

CH 3

melhyl-lerti<£rbutylelher, MTI3E

For i tiden hrevede man oktantallet ved at tilsrette blyforbindelser, f.eks. tetramethylbly, der har formlen (CH 3 ) 4Pb. Blyforbindelserne er meget effektive til at hreve oktantallet, men desvrerre indebrerer brugen af blyholdig benzin, at der spredes giftige blyforbindelser til omgivelserne med bilernes udstodningsgas. Salget af blyholdig benzin forventes at ophore helt i 1994. Raoliens sammensretning svarer ikke til forbrugsmonstret. Der er for meget at de hojtkogende oliefraktioner og for lidt benzin. Man har derfor udviklet processer, som omdanner de hojere kogende fraktioner til benzin. Ved en sadan proces, som kaldes en cracking, spaltes storre molekyler til mindre, f.eks.: C H,H 38

C8H J8 + C(jH 12 + 2C 2H4

Cracking gennemfores ved hoj temperatur, jrevnfor figur 73.

Figur 73. Cracking forsog. Bunden af en tfIJr 250mL kolbe diJ2kkes med perlekatalysator. TilsiJ2t 10mL paraffinolie og ophed kraftigt. Man kan undersoge benzin fraktionen med brom vand, og man kan prove, om den kan briJ2nde. Lav de samme prflJver pa

bromvand

paraffinolie .

......

104

Et indblik

den organiske kemi

Ved cracking dannes en kompliceret blanding af carbonhydrider, som skilles i fraktioner ved en efterfolgende destillation. En cra cking giver store mcengder alkener, Leks. ethen. Alkenerne er vig tige udgangsstoffer i den kemiske industri, hvor de bl.a. anvendes til fremstilling af plastic (se side 91). Der er imidlertid ikke opbyg get en kemisk industri i tilknytning til de danske raffinaderier. Danmark har en betydelig plasticforarbejdende industri, men selve den kemiske fremstilling af plasticmaterialet foregar i udlandet. Den del af den kemiske industri, som far sine udgangsstoffer fra olie, kaldes den petrokemiske industri. Denne del at industrien har vceret i stcerk vcekst i de sidste artier, men det er dog kun en min dre del af den udvundne olie, som anvendes pa denne made.

Opgave 78. I teksten er der anfort et reaktionsskema for en cracking af (18H38' Spaltningen af molekylet i mindre dele kan naturligvis forlobe pa flere forskellige mader. Skriv tre forskellige reaktionsskemaer for cracking af ( ZO H 4Z '

Opgave 79. Benzin er som ncevnt en blanding af forskellige carbonhydrider. I denne opgave regner vi pa (7H16. De forskellige isomere med denne mole kylformel udgor en vcesentlig del af benzin. Densiteten for (7H16 scettes til 0,68g/mL.

a) Skriv reaktionsskemaet for forbrcending af (7H16.

b) Betragt 1 liter (7H16. Beregn stofmcengden af (7H16.

c) Hvor stort et volumen ren oxygen (20°(, 1,013 bar) gar der til forbrcending

af 1 liter (7H'6? d) Atmosfcerisk luft indeholder 20,95 volumen% oxygen. Det betyder, at

100L atmosfcerisk luft indeholder 20,95 L oxygen. Beregn voluminet for den mcengde atmosfcerisk luft, som "bruges« ved forbrcending af 1 L (7 H '6·

Nogle oxygenforbindelser En alkohol indeholder en OH-gruppe. Vi nojes med at se pa de to simpleste alkoholer. De har folgende stregformler:

H H

H-C-O-H

H H

H methanol

H-C-C-O-H ethanol

Et indblik

den organiske kemi

105

De to alkoholer afledes formelt af carbonhydriderne methan og ethan ved at udskifte et H-atom med en OH-gruppe. Indforelsen af en OH-gruppe i et carbonhydrid markeres ved tilfojelse af endel sen -01 til carbonhydridets navn. Derved far navnet samme endelse som ordet alkohol. Som regel skrives formlerne saledes: CH 30H

CH::CH 20H

methanol

ethanol

Methanol kaldes ogsa trcesprit. Det er et meget giftigt stof, som man under ingen omstcendigheder ma drikke. Figur 74. Molekylmodel af ethanol.

Figur 74 viser en molekylmodel af ethanol. Ethanol kaldes i daglig tale sprit eller alkohol. Man kan fremstille ethanol ved gcering af visse kulhydrater (sukkerstoffer). Med glucose (druesukker) som udgangsstof bliver reaktionsskemaet: C(jH 12 0 G glucose

---'?

2CH 3CH 20H + 2C0 2

Processen kaldes en alkoholgl1!ring. Den kan laves i en simpel op stilling, se figur 75. Man kan lave en gceringsblanding ved f.eks. at tilscette 109 almindeligt bagegcer til en oplosning af 25g glucose i 120mL vand. Efter et par dogn er gceringen fcerdig. Figur 75. Opstilling til en

alkoholg~ring.

Van

det i cylinderglasset virker som vandlas. Man skal forhindre, at

g~rcel

Ierne far tilfort oxygen, sa de kan forbr~nde glucosen.

Ved gceringen kan ethanolindholdet ikke blive meget over 12% (volumenprocent), idet gcercellerne ikke kan tfl1e storre etha nolkoncentrationer. Man kan fa en storre ethanolkoncentration ved at destillere den oplosning, man har fremstillet ved gceringen. En almindelig 01 indeholder ca. 4,6% ethanol, bordvin ca. 12%,

106

Et indblik

,!i

':·1,·,;1

den organiske kemi

mens spiritus som snaps, whisky og lignende indeholder ca. 40%; De angivne procenter er volumenprocenter, se side 109. Alkoholer har noget hojere kogepunkter end de carbonhydrider, som de er afledt af: CH 4

CH:\OH

CH:jCH:j

CH3CH 2 0H

methan

methanol

ethan

ethanol

Methan og ethan er som andre alkaner sa godt som uoploselige i vand, hvorimod methanol og ethanol er blandbare med vand i aile forhold. Drikkevarerne, som er omtalt ovenfor, kan betragtes som oplosninger af ethanol i vand. Desuden indeholder de sma koncen trationer af diverse smagsstoffer m.m. Alkoholer kan brcende. Som eksempel tager vi forbrcendingen af ethanol:

Hvis man lader yin sta i en aben beholder i lcengere tid, kan man risikere, at vinen bliver sur. Det skyIdes »eddikesyrebakterier«, som anvender oxygen til at omdanne ethanol til ethansyre: CH 3CHlm + O2

ethanol

CH 3COOH + H 20

ethansyre

Ethansyre kaldes ogsa eddikesyre, og processen kaldes en ed dikegcering. Man fremstiller vineddike ved gcering af Yin. Alminde lig husholdningseddike er ogsa fremstillet ved gcering. Man skriver ethansyres forme! CH:jCOOH og ikke CH 3 C0 2 H, fordi de to O-atomer er bundet pa to forskellige milder i molekylet: H 0 I

H-C-C-O-H I

Figur 76 viser en molekylmodel. Ethansyre horer til en stofgruppe, som kaldes carboxylsyrer. Carboxylsyrer indeholder atomgruppen COOH, dvs. der er et dobbeltbundet O-atom og en OH-gruppe pa samme C-atom. De simpleste carboxylsyrer: HCOOH

methansyre

ethansyre

(myresyre)

(edclikesyre)

propansyre

butansyre

(snwrsyre)

Disse carboxylsyrer er vcesker. De lugter ikke godt. Det gcelder specielt butansyre (smorsyre).

pet!! '; " .

ftltTl' , ttlf :r;\tt"Ptt'l'rrm

!i'C.PInetTe' ttCtrrn' "'renltr

Et indblik

107

den organiske kemi

Figur 76. Molekylmodel af ethansyre (eddikesyre).

Ved madlavningen udnytter man den sure smag at en ra:kke orga足 niske syrer, f.eks.:

CR.. I

CH 3COOH

HO-C-H I COOH

eddikesyre

ma:lkesyre

CHLCOOH I HO-C-COOH I

CHLCOOH citronsyre

I kokkenet bruger man en fortyndet vandig oplosning af eddike足 syre (husholdningseddike eller vineddike). Mrelkesyre fin des i surmrelksprodukLer, f.eks. creme frail-he og ymer. Det er natur足 ligvis ciLronsyre, som gor citroner sure. Som man ser, indeholder formlerne for mrelkesyre og citronsyre grupperne OH og COOH. Disse stoffer er altsa bade alkoholer og carboxylsyrer. Mrelkesyre er i ren form en vreske; citronsyre er et fast stof. Opgave 80. Som omtalt i teksten afleder man en alkohol af en alkan ved at

udskifte et H-atom med en OH-gruppe. Vi ser kun pa alkoholer. som inde足

holder en enkelt OH-gruppe.

a) Hvor mange alkoholer kan man aflede af propan?

b) Foresla navne for alkoholerne.

", ,I.

108

Blandinger

Homogene og heterogene blandinger

Man skelner mellem homogene og heterogene blandinger. Homo gen betyder ensartet. En homogen blanding ser ensartet ud, ogsa nar den undersoges med et mikroskop. Saltvand er et eksempel pa en homogen blan ding. Snaps er en homogen blanding af vand, ethanol og mindre m<pngder af andre stoffer. Atmosfcerisk luft er en homogen blan ding af nitrogen, oxygen, argon, carbondioxid, vanddamp og sma mcengder af andre gasser. En flydende homogen blanding kaldes en oplosning. Man kan se de forskellige dele, som en heterogen blanding be star af. Spegepolse og m<plk er eksempler pa heterogene blan dinger. Hvis man undersoger m<plk under et mikroskop, kan man se, at m<plk bestar af sma fedtkugler blandet med vand. En heterogen blanding bestar af flere homogene dele, som kaldes laser. Vi har tidligere betragtet blandingen af heptan og vand (figur 77). Denne blanding bestar af to faser, nemlig en heptanfase og en vandfase.

H2 0

Figur 77. En heterogen vceskeblanding med to faser.

Procent og ppm Oploser man 5g NaCl i 95g vand, far man 100g blanding. Massen af NaCl udgor brokdelen 1~() af blandingens masse. Det er det samme som 5%, idet procent betyder hundrededele. Indholdet af NaCl kan mere pr<pcist angives som 5 masse%, da der er tale om en procentangive1se regnet efter masse. Masse% blev tidligere kaldt v<Pgt%. • Vi betragter en stofblanding med den samlede masse mhl' Blan dingen indeholder massen m(A) af stoffet A. Blandingens indhold af Ai masse% bernes saIedes: .

imasse% (A)

= mm( ). 100% hI

Indholdet af A kan f.eks. v<pre 17,2 masse%. I sa fald udgor massen af blandingens masse, dvs. massen at A kan af A brokdelen beregnes sadan:

·1

¥at

m(A)

'ts&

r :T*h i l,f-netSttt '.

17,2 . mbl

100

109

Blandinger

Hvis blandingens indhold af et stof er meget lille, angives indhol det undertiden i ppm (parts per million), dvs. milliontedele: .

'masse-ppm

Tabel18. Sammen sa=tningen af tor atmosfa=risk luft. Stof

Indhold ivol%

Nitrogen N2

78,08

Oxygen

20,95

Argon

0,93

Carbon dioxid

CO 2

0,036

Neon

0,0018

Helium

0,0005

Figur 78. Varedeklara tion fra en vinflaske.

(A)

m(A)

- m . 10 ppm bl

Nar indholdet af et stof er Ippm, er der 19 af stoffet pro l06 g blan ding, dvs. 19 pro ton blanding. Hvis indholdet af stoffet er endnu mindre, benytter man ppb (parts per billion), dvs. milliardtedele. Vi skal nu se pa angivelser efter volumen. Vi blander et stof A sammen med andre stoffer. Der anvendes voluminet V(A) af det rene stof A, og den frerdige blandings volumen kaldes Vbl • Blandin gens indhold af Ai volumen% (vol%) beregnes sadan:

i vo l\'i (A) = V(A) . 100% V 0

Volumen% bruges isrer til at angive sammensretningen af gasblan dinger, se tabel 18. Nar man beregner volumenprocenter, skal alle volumenangivelser vrere ved samme tryk og temperatur. Desuden anvendes vol% til at angive ethanolindholdet i 01, yin og spiritus, se figur 78. Da der sker en betydelig volumenformind skelse ved sammenblanding af vand og ethanol, er det ikke sa praktisk at angive ethanolindholdet i vol% (opgave 84). ~-

TOR

HAlVSOD MEGETSODj

I IAI ITDI MEGETTOR HAlVTOR SOD

Entre·deu.·Mers (angUe-de·mOOr)

Sam havneby er Bordeaux ogsa centrum for handel med fisk, 0slers og skaldyr, og hertil passer de hvide vine fra nEntre-deux-MeI'SI( (mellem to have) forlreeffeligt. Vinen har en frisk, Itgesom lid! r0get duft, en dejlig ren smag og er t0r uden at vrere bidende.

INDHOLD: 70 cl ca. 8 glas. I ENERGI: ca. 260 kiloj. (ca. 60 kal.) pro 10 cl. . NATURLIG S0DME: ca. 0,2 9 sukker pro 10 cl ALKOHOL: ca. 11 % (vol.) = ca. 8. ,7 9 p10'cl. ]. 1 flaske indeholder ca. 60,9 9 alkohol. Tilsat konserveringsmidler. Sullitter.

• Opgave 81. Ved rna ling af blyindholdet i gronkalsblade finder man, at 214g

gronkal indeholder 0,103 mg bly. Beregn blyindholdet i %, i ppm og i ppb.

Opgave 82.»Fysiologisk saltvand« er en 0,9% (masse%) opl0sning af NaCI i

vand. Der skal fremstilles 1L opl0sning, som indeholder pra=cis 0,900% NaCi.

Densiteten af en sadan opl0sning er 1,005g/mL.

a) Hvad er massen af 1L oplosning?

b) Hvor meget NaCi skal der afvejes for at lave 1L opl0sning.

c) Beskriv, hvordan man kan lave opl0sningen,

110

Blandinger

Opgave 83. Vinen med deklarationen pa figur 78 indeholder 11 vol% etha

nol. Opgaven gar bl.a. ud pa at kontrollere etikettens oplysning om, at 11 vol% svarer til 8,7 9 ethanol pro 1OcL vin. 1cL (centiliter) er 0,01 L (10mL). a) Ga ud fra oplysningen om, at ethanolindholdet er 11 vol%. Hvor stort et volumen ethanol er der i 10cL vin? b) Beregn massen af dette volumen ethanol (densiteten for ethanol e r ' ., 0,79g/mL). Kommenter resultatet.

c) Hvad er vinens ethanolindhold i masse%? (Vinens densitet

s~ttes til

0,98g/mL).

Opgave 84. Ved sammenblanding af ethanol og vand sker der en volumen

formindskelse. Molekylerne ligger abenbart

t~ttere sam men

i blandingen

end i de rene v~sker. Ved sammenblanding af 50,OmL ethanol og 50,OmL

vand, far man 96,5mL blanding.

a) Beregn blandingens ethanolindhold i vol%.

b) Hvad er indholdet af vand i vol%?

Man kan let demonstrere volumenformindskelsen. Der anvendes en 50mL

pipette og en 1OOmL malekolbe (dette apparatur omtales side 111 og 112).

Afpipetter 50,0 mL ethanol i malekolben. . ,

Tils~t

derefter 50,OmL vand med

pipette, som forsigtigt tommes ud helt nede ved bunden, sa de to

v~sker

ikke blandes. Tr~k den tom me pipette forsigtigt op. V~skeoverfladen v~sker endnu v~skerne

skulle nu gerne sta meget t~t pa 1OOmL-stregen, da de to

ikke er blandet.

S~t

derefter prop i og omryst grundigt, sa

blandes.

Eventuelt kan man anvende vand, som er farvet med lidt kaliumpermanga nat.

Stofmrengdekoncentration Stofmcengden n (A) at stoffet A opl0ses i et passende opl0snings middel (f.eks. vand). Den fcerdige opl0snings volumen kaldes Vap]' Stofmamgdekoncentrationen af A i opl0sningen defineres sadan: c(A)

n(A)

n(A) er den anvendte stofmcengde af A

V;)(ll

I de fleste tilfcelde viI vi n0jes med at sige koncentration i stedet for stofmamgdekoncentration. Hvis en »koncentration« skal angives i f.eks. masse% eller ppm, viI det udtrykkeligt blive ncevnt, og i disse tilfcelde viI vi bruge ordet »indhold« i stedet for »koncentration«.

111

Blandinger

Med en forenklet symbolbrug kan definitionen af koncentration skrives:

Eksempel10. 2,00mol (117g) NaCi oploses i sa meget vand, at oplosnin gens volumen bliver 5,00 L. Beregn stotmaengdekoncentrationen at NaCI. L0sning: c(NaCI)

n(NaCI) Vopl

2,00mol 5,00L

= 0,400 mol

Som eksemplet viser, far koncentrationen enheden mol/L, hvis oplosningens volumen angives i liter. Enheden mol/L betegnes (desvc.erre) M:

Figur 79. Mc'liekoibe. Nar vaesken star op til stregen pa malekolbens hals, rummer den det angivne volumen vaeske.

1M = 1 m~ L -/ M udtales »molc.er«. En enhed som M kan kendes pa, at den star efter et tal, og den er skrevet med ordinc.er skrift. Storrelses symboler skrives med kursiv, f.eks. skriver man M, nar man angi ver symbolet for et stofs molare masse. En 0,100M NaCI-oplosning indeholder 0,100mol NaCI pro liter oplosning. Man kan lave en sadan oplosning ved hjc.elp af en male kolbe (figur 79). 0,100mol NaCI (5,844g) afvejes og hc.eldes ned i en 1 liter malekolbe. Der tilsc.ettes vand, og stoffet bringes i oplosning. Derefter fyldes op med mere vand, indtil vc.esken star prc.ecis op til mc.erket pa kolbens hals. Pa denne made sikrer man sig, at den fc.er dige opl0sning har et volumen pa prc.ecis l1iter. Efter grundig om rystning er oplosningen klar til brug. Man kan naturligvis ogsa afveje 0,0100mol NaCl og benytte en 100mL maleko1be. Nar man skriver O,lOOM NaCI, har man ikke angivet, at oplos ningsmid1et er vand, men det er ret ind1ysende i dette ti1fc.elde. Eventuelt kan man skrive 0,100M NaCI(aq). Der indgar tre st0rrelser i definitionsligningen for koncentra tion: c =!! V

Ligningen bruges meget til beregninger. Man kan beregne en af de tre storrelser c, n og V, hvis man kender de to ovrige. Hyppigt

;"S!:bil'"

·'~l

.•

112

Blandinger

kender man koncentrationen c, og man afmaler et volumen V af oplosningen. Man kan da beregne stofmrengden af det pagrel足 dende stof i det afmalte volumen.

Eksempel11. Der afmales 25,OmL af en O,100M CaCIz-oplosning. Beregn

stofmcengden af CaCI 2 i det afmalte volumen oplosning.

mL 2O"C

L0sning: Forst isoleres den ubekendte pa venstre side, og man far: n

= c'V

n(CaCI 2)

mol = c(CaCI 2),Vopl = O,100-L

'O,0250L

= O,00250mol

Voluminet indscettes i liter for at fa stofmcengden ud i mol.

Figur 80. a) Pipette.

b) Burette.

En pipette skal fyldes op

til stregen.

Et volumen oplosning afmales med en burette eller en pipette (se figur gO), eller man kan bruge et maleglas. Man/ortynder en oplosning ved at tilsrette noget mere af det rene oplosningsmiddel, sa oplosningens volumen foroges. Pa figur 81 oges oplosningens volumen fra Vfor til v,'fter' Ved denne fortynding bliver koncentrationerne af de oploste stoffer mindre.

Figur 81. En vandig

oplosning fortyndes med

rent vand. Pi! figuren er

der tale om en oplosning

af et farvet stof.

Vi ser pa et oplost stof A, hvis koncentration ved fortyndingen rendres fra Cfor til Cefter' Da der ikke tilsrettes mere af stoffet, er stofmrengden den samme for og efter:

n(A) = cfor' Vfor = cefter' V';,fter Heraffas:

. ,:trjtflrrr~re".t n*frrr'$*:

113

Blandinger

Hvis man g0r opl0sningens volumen 5 gange st0rre, bliver stoffets koncentration 5 gange mindre. Tilsc£tter man Leks. 40mL vand til lOmL at en vandig opl0sning, har man tortyndet opl0sningen en taktor 5. Dette er dog lidt uprc£cist; der kan nemlig ske en lille volu menc£ndring, nar opl0sningen blandes med rent vand. Mere prc£ cist skal man tage lOmL opl0sning og fylde op med vand, indtil opl0sningens volumen er 50mL. En n0jagtig tortynding udt0res med pipette og malekolbe. Hvis man Leks. med pipette overf0rer 25,00mL af en opl0sning til en 250mL malekolbe og fylder op til stregen med opl0sningsmiddel, er opl0sningen tortyndet en taktor 10.

Opgave 85. Der skallaves 200mL O,150M Na2S04(aq).

a) Hvor star en

stofm~ngde

Na2S04(S) skal der anvendes?

b) Beregn massen af denne stofm~ngde Na2S04(S).

c) Beskriv, hvordan man laver oplosningen.

Opgave 86. Stoffet CuS04·5H20(S) anvendes til at lave 500mL 0,125 M

CuS04(aq).

a) Beregn massen af CuS04·5H20(S), som man skal bruge til at lave oplosnin

gen. b) Hvor stort et volumen skal man afmale af oplosningen, hvis man skal bruge O,00500moi CuS04(aq)?

Opgave 87. Med pipette overf0res 20,OOmL O,100M NaCl til en 500mL malekolbe, og der fyldes op til stregen med vand og omrystes. Hvad er kon centrationen af NaCI i den fortyndede oplosning?

Mrettet op10sning Hvis man ryster en blanding at iodkrystaller og vand (figur 82 pa nc£ste side), kan man se pa vc£skens farve, at der opl0ses iod i van det. Det skrives sadan:

Der er sket f0lgende: Nogle at iodmolekylerne har forladt kry staloverfladerne og er gaet ud i vc£sken, hvor de bevc£ger sig rundt mellem vandmolekylerne. Hvis man tortsc£tter omrystningen, kan man se, at der gar mere og mere iod i opl0sning. En opl0sning at et

114

Blandinger

stof siges at vcere um{pttet, nar der kan bringes mere af stoffet i oplosning. 10dmolekyler ira oplosningen kan imidlertid stode ind i en kry staloverflade og blive hcengende. Det svarer til, at vi lceser reak tionsskemaet ira hojre mod venstre:

Processen kan altsa forlobe i begge retninger, og det skriver man sadan:

Sa lcenge oplosningen er umcettet, er det processen mod hojre, der dominerer. Det er antydet med pilenes lcengde pa den midterste del af figur 82. Resultatet bliver, at iodkoncentrationen i oplosnin gen stadig vokser. Det kan man se ved, at den bliver mere og mere farvet. Figur 82. lod og vand blandes. Blandingen omrystes. Det giver i forste omgang en umcet tet oplosning. Bruger man findelt iod, bliver oplosningen mcet tet efter fa minutters

ul11~ftet

oplesning

I11l1dtefoplesning

omrystning (hvis der er

Jo storre iodkoncentrationen bliver, desto storre betydning far pro cessen mod venstre. Ved fortsat omryslning kommer man efler Mnden i en situation, hvor oplosningens farve ikke cendrer sig mere. Oplosningen er blevet m{pttet. Der har indslillel sig en ligev{pgt mellem iodkrystaller og oplosningen, og det angiver man saledes:

iod nok).

12 (s) ;:: 12 (aq) 1 ligevcegtstilstanden gar der hele tiden iodmolekyler ira krystal overfladerne ud i oplosningen, men lige sa hyppigt gar iodmole kylerne den modsatte vej. Vi kan sige, at de to modsat rettede pro cesser forlober med samme hastighed, og denne ligevcegtstilstand angives med to modsat rettede harpuner i reaktionsskemaet. Der er altsa grcenser for, hvor meget iod der kan bringes i oplos ning. Stoffets koncentration i den mcettede oplosning kaldes stof fets oploselighed. Oploseligheden af iod i vand er 1,1.10-3 mol/L

115

Blandinger

ved 20°C. 1 liter ma'ttet opl0sning indeholder altsa kun 1,1.10-3 mol 12 , lod er tungtoploseligt i vand. I tabelsamlinger angiver man normalt opl0seligheden ved at skrive, hvor mange gram stof der kan opl0ses i 100g eller i 100mL opl0sningsmiddel. To va'sker kan vcere ubegrcenset opl0selige i hinanden (futd stcendigt blandbare). Det gcelder Leks. ethanol og vand. I modscet ning hertil er Leks. vand og heplan meget tungtopl0selige i hinanden, og blandingen af vand og heptan bestar af to v<eskelag (to vceskefaser), se side 85. Etter grundig omrystning af blandin gen er vandfasen mcettet med heptan og heptanfasen mcettet med vand. Et fast stof eller en gas kan ikke opl0ses ubegrcenset i en vceske. Der viI altid vcere en grcense, som svarer til, at opl0sningen bliver mcettet.

Aktuel koncentration Koncentrationen c(A) viI vi kalde den formelle koncentration af stoffet A i opl0sningen. Mange stoffer omdannes, nar de opl0ses. Det betyder, at stoffets koncentration i opl0sningen i virkeligheden er mindre end c(A) angiver. Den aktuelle koncentration at A defi neres saledes:

[AJ = n(A) ~pl

n(A) er den aktuelle stofmcengde af A i opl0sningen.

Vi tager et eksempel. Man kan lave O,lOOOM NH 3 (aq) ved at ople se O,lOOOmol NH 3 i vand, og fylde op med vand, indtil op10snin gens volumen er pr<pcis 1 L. Vi har altsa:

Denformelle koncentration at ammoniak er O,lOOOM. Den aktuelle koncentration at ammoniakmolekyler er mindre end O,lOOOM. Der sker nemlig en kemisk reaktion, nar ammoniak blandes med vand:

Man kan angive aktuelle koncentrationer tor molekyler og ioner i opl0sningen. Ved en maling finder man f0lgende aktuelle koncen trationer at ammoniakmolekyler og ammoniumioner: [NH3 J = 0,0987M

[NH/J = 0,0013M

116

Blandinger

Pro liter opl0sning er der 0,0987 mol ammoniakmolekyler og 0,0013mol ammoniumioner. Det er altsa relativt fa af ammoniakmolekylerne, som er omdan net til ammoniumioner. Harpunerne i reaktionsskemaet angiver, at der har indstillet sig en kemisk ligeva?gt. Reaktionen kan bade 10be »forl~ns« og »bagl~ns«, og i ligev~gtstilstanden 10ber de to reak tioner lige hurtigt, sa processen tilsyneladende er gaet i sta. Lige v~gten indstiller sig lynhurtigt. Summen af [NH 3 ] og [NH 4+] er lig med den formelle koncentra tion af ammoniak. Det er en f0lge af, at NH:; omdannes til NH 4+i forholdet 1:1. Kun 1,3% af ammoniakmolekylerne er omdannet til ammoniumioner. Sukker omdannes ikke, nar det opl0ses i vand. Sukkermofeky Ierne forlader blot molekylgitteret og bev~ger sig ud i opl0snin gen, hvor de fordeler sig mellem vandmolekylerne: C12H22011 (s)

---?

C12H22011 (aq)

For en 0,100M sukkeropl0sning kan vi skrive:

Den aktuelle koncentration er i dette tilf~lde lig med den formelle koncentration. Nar salte oploses, skilles ionerne fra hinanden. Nar f.eks. natri umsulfat oploses, sker der folgende proces:

Ionerne forlader iongitteret og gar ud i opl0sningen, hvor de bev~ ger sig rundt som selvst~ndige ioner. Hvis der oploses O,lOOmol Na2S04 pro liter oplosning, har vi: C(Na2S04) = O,lOOM [Na+]

O,200M

[SOl-]

O,100M

Man finder de aktuelle koncentrationer ved at se pa reaktionsske maet: Nar 1mol Na2S04 oploses, dannes der 2mol Na+ og 1mol S04 2-. Der er ingen Na2S04-partikler i opl0sningen. Det er naturligvis den formelle koncentration, man angiver, nar man betegner opl0sningen som O,lOOM Na2S04'

Opgave 88. Hvad er [Ba 2+] 09 [CI-] i 0,15 M BaCI 2 ?

nu "r . (.~. ·tm"trrtd f' ....

trnOarn' IPSE

H.,

fl.

Blandinger

117

Opgave 90. Vi betragter en oplosning, der bade indeholder CaCI 2 og AICI 3 . De to stoffers koncentrationer er henholdsvis O,020M og O,030M. Angiv de aktuelle ionkoncentrationer i oplosningen.

Opgave 91. 3,312g Pb(N0 3h opl0ses i vand, og der fyldes op med vand til 1liter. Beregn koncentrationen af Pb(N0 3h og angiv [Pb 2 +] og [N0 3 -I.

Titreranalyse Vi skal se pa en analysemetode, som kaldes titreranalyse. Metoden forklares bedst ved at betragte et eksempel. Antag, at vi har en oplosning, der indeholder chloridioner. Koncentrationen af Cl- er ukendt. Vi skal bestemme den ukendte koncentration ved titrer analyse. Forst overforer vi 25,OOmL af oplosningen med pipette til en konisk kolbe, hvorefter der tils<ettes indikator (forklares i det fol gende). Som vist pa figur 83 »titreres« det afmalte volumen oplos ning med O,0500M AgNO:j(aq), dvs. O,0500M AgNOI(aq) tildryp pes fra burette. Ved tildrypningen dannes der et hvidt bundfald af solvchlorid: titreringsreaktionen Denne reaktion forlober under titreringen, og den kaldes titre ringsreaktionen. I starten er der naturligvis tilsat underskud af solv

(

Figur 83. Bestemmelse af en oplosnings chlorid koncentration ved titre ring.

indeholder C/

!\ w

25,00",L chloridoplfl}sning + indikator

118

Blandinger

ioner, men ved fortsat tildrypning kommer man til titrerings reaktionens mkvivalenspunkt, hvor chloridionerne netop er brugt op. Lige pa det tidspunkt skal vi standse titreringen. Indikatoren skal forta-lle os, at vi er naet til cekvivalenspunktet. Som indikator anvendes kaliumchromat (KZCr04)' Inden titrerin gen tilscettes ca. 5mL 0,1 M KZCr04' Derved kommer oplosningen til at indeholde chromationer, Cr04z-, som giver vcesken en gul farve. Nar chloridionerne er brugt op, viI yderligere tilscetning at solv . nitratoplosning bevirke, at der dannes et rodt bundfald at solvchro mat: 2Ag+(aq) + CrO/-(aq) gul

---'>

Ag2Cr04(S)

indikatorreaktionen

melt bunclfald

Solvchromat er tungtoploseligt, men ikke helt sa tungtoploseligt som solvchlorid. Solvchromat dannes derfor forst, nar chlorid ionerne er brugt op. Under titreringen ser man, at det rode solvchromatbundfald dannes lige der, hvor draberne at solvnitratoplosningen falder ned. Her bliver der nemlig et lokalt overskud af Ag+, men det rode solvchromatbundfald forsvinder igen ved omrystning, fordi solv ionerne reagerer med chloridioner fra andre dele af oplosningen. Titreringen standses, nar en enkelt drdbe solvnitratoplosning fremkalder en svag, blivende rodfarvning. Sa er chloridionerne brugt op, dvs. man har netop passeret titreringsreaktionens cekvi valenspunkt. Det tilsatte volumen solvnitratoplosning aflceses. Herefter kan man udregne koncentrationen at chloridioner i den »ukendte« oplosning. Beregningsgangen forklares ved at gen nemga et eksempel.

Eksempel 12. Som omtalt titreres 25,00mL af en oplosning, der indeholder

(1-.

Ved cekvivalenspunktet aflceser man pa buretten, at der er brugt

13,46mL O,0500M AgN0 3 . Beregn chloridkoncentrationen.

L0sning: Forst beregnes den tilsatte stofmcengde AgN0 3 :

n = cV

n(AgN0 3 )

mol

= c(AgN0 3)·Vopl = 0,0500--·O,01346L = 0,000673mol L

Hvert mol AgN0 3 giver 1mol Ag+ Vi har altsa tilsat folgende stofmcengde Ag+: n(Ag+)

= 0,000673 mol

Denne stofmcengde Ag+ er cekvivalent med den koniske kolbes indhold af

119

Blandinger

CI-. Da Ag+ og CI- reagerer 1: 1 (se titreringsreaktionens reaktionsskema). har vi: n(Cn

= 0,000673mol

Da vi analyserede 25,00mL at chloridoplosningen. kan vi nu udregne dens chloridkoncentration: [CI-]

n(Cn Vchloridopl

0.000673mol 0,02500L

= 0,0269M

Den titrering, vi har beskeeftiget os med, kaldes en kolorimetrisk fa;ldningstitrering. Titreringsreaktionen er nemlig en feeldnings reaktion, og betegnelsen kolorimetrisk hentyder til, at man ser eek vivalenspunktet ved et farveskifte. I de folgende kapitler omtales andre typer titreringer. Formalet med en titrering kan veere at bestemme en ukendt kon centration, jeevnfor eksemplet ovenfor. Opgave 92 viser, at den samme titreringsmetode kan bruges til at bestemme saltindholdet i smor.

Opgave 92. Pa smormejerier tilsiEtter man salt (NaCl) til smor (undtagen nar man laver usaltet smorl. Opgaven viser, hvordan saltindholdet i smor kan bestemmes ved titrering. I et torsog atvejes 3,01 9 smor i et biEgerglas. Der tilsiEttes ca. 50mL demine raliseret vand. Blandingen opvarmes, sa smorret smelter. 503 tilsiEttes ca. 5mL 0.1 M K2Cr04. hvorefter der titre res med 0,0500 M AgN0 3 under magnet

omroring. Ved iEkvivalenspunktet er der tilsat 10,9mL 0,0500M AgN0 3 .

a) Beregn den tilsatte stotmiEngde AgN0 3 .

b) Hvilken stotmiEngde NaCi er iEkvivalent hermed?

c) Beregn massen at NaCi og angiv smorrets saltindhold i masse%.

)

.......

120

Syr~basereaktioner Et eksempel pa en syre-basereaktion Ordet syre far nak de fleste mennesker til at t<enke pa en ~tsende som smager surt, mens en base opfattes som et stof, der kan aph~ve virkningen af en syre. Vi skal nu l~re, hvordan kemi kere definerer begreberne syre ag base. Det, vi skall~re, viI pa en r~kke punkter afvige fra den almindelige opfattelse af begreberne. Vi skal f.eks. l~re, at stoffet vand bade er en syre og en base. Sam eksempel ser vi pa reaktionen mellem hydrogenchlorid og vand. Hydrogenchlorid er en gas med en ubehageligt stikkende lugt. Man kan fremstille hydrogenchlorid ved at lade koncentreret svovlsyre dryppe ned pa natriumchlorid (figur 84). v~ske,

Figur 84. Fremstilling af hydrogenchlorid. Dette stof er en gas, som ved fors0get opl0ses i en

kane. H2 S04

vGeske, f.eks. vand eller heptan. Derefter kan man prove med opstillin gen til h0jre, om OpI0S

.-------0 +

ningen er elektrisk ledende.

Rent vand er en s~rdeles darlig leder af den elektriske stmm. Der imod er en opl0sning af hydrogenchlorid i vand elektrisk ledende. Opl0sningen rna altsa indeholde ioner. De er dannet ved en kemisk reaktion mellem hydrogenchlorid og vand:

Oplosningen indeholder ingen eller rettere n~sten ingen hydro genchloridmolekyler. Den indeholder chloridioner og oxonium ioner (H:,o+). Den vandige oplosning af hydrogenchlorid kaldes saltsyre.

'tnnnerT 'X!

'7' '1"1

nrrnrnm·t . . d

.j,,'

f:.__ ~ ..! _ ....

121

Syre-basereaktioner

()

H Figur 85. Model af et H ·atom og af H+, som er H-atomets kerne. Kernen besto3r blot af en proton

Ved reaktionen mellem HCl og H2 0 overfores der en W fra HCl til H20:

IW~ HCl + Hi) syre

---'>

Cl- + H30+

base

H+ er en hydrogenatomkerne, dvs, en proton, jrevnfor figur 85. Efter den danske kemiker ]. N. Bronsted defineres begreberne syre og base pa folgende made:

(enkelte H-atomer inde holder ogso3 en neutron, se side 16).

En syre er et molekyle eller en ion, der kan a/give en proton.

En base er et molekyle eller en ion, der kan optage en proton.

I reaktionen mellem HCl og H2 0 reagerer HC1-molekylet som syre og HzO-molekylet som base. Vi skal senere se eksempler pa, at en ion kan optrrede som syre eller base. En proton kan ikke eksistere frit i et kemisk miljo. Man skal huske pa, at protonen er en »nogen« atomkerne. En syre kan kun reagere som syre, hvis der er en base til stede, som kan optage protonen. Ved en syre-basereaktion overfores der en proton fra en syre til en base. En syre rna nodvendigvis indeholde hydrogen. Man kender dog mange hydrogenforbindelser, som under normale omstrendig heder ikke reagerer som syrer. Det gaJder f.eks. CH 4 • I en syre-basereaktion sprrenges der en kovalent binding og dan nes en kovalent binding: ••

H ; Cl: + H ~ 0 g 00

Johannes Nicolaus Br"nsted 1879-1947 Dansk kemiker, som i 1923 fremsatte en ny definition af begreberne syre og base. Siden da har hans definition vceret den dominerende syre-base definition.

H Cl : - + H ~ 0 g + ••

---'>

;

Hydrogenatomets elektron bliver efterladt tilbage, sa der dannes en chloridion. Protonen bindes til basen (vandmolekylet) med en kovalent binding, hvor begge elektroner kommer fra basen. En base rna derfor indeholde et ledigt elektronpar, som skal bruges til at binde protonen til basen. I forsoget pa figur 84 kan man konstatere, at en oplosning af HCl i heptan ikke er elektrisk ledende. Oplosningen indeholder HCl molekyler og ingen ioner. Heptan har ingen mulighed for at op trrede som base, da molekylet ikke indeholder ledige elektronpar.

122

Syre-basereaktioner

Nu skal man ikke tro, at aIle molekyler og ioner med ledige elek tronpar er baser. Eeks. optr<eder CCl4 normalt ikke som base, selv om molekylet indeholder 12 ledige elektronpar. Vi slutter dette indledende afsnit med en bem<erkning om begre bet et salt. Vi har brugt betegnelsen salt om et stof, der besHlr af ioner. Salte, som indeholder Cl-, siges at v<ere salte at syren HCI, da Cl- »stammer fra« HCI. Stoffer som NaCl og CaCl2 er eksempler pa salte af syren HCI.

Opgave 93. Koncentreret saltsyre er en vandig opl0sning af hydrogenchlo

rid, som indeholder 36 masse% hydrogenchlorid. Densiteten er 1, 18g/mL.

a) Hvad er massen af 1 liter kone. saltsyre?

b) Beregn massen af HCI i 1 liter kone. saltsyre.

c) Beregn den formelle koncentration af HCI.

Opgave 94. Prov at skrive et reaktionsskema for reaktionen pi! figur 84.

Syrer En syre kaldes stmrk, hvis den har stor »tilb0jelighed« til at afgive en proton. I fortyndet vandig opl0sning reagerer en st<erk syre sa godt som fuldst<endigt med vand. HCI er en st<erk syre. En svag syre reagerer kun delvist med vand. Eddikesyre er et ek sempel pa en svag syre: CH:1COOH + H20 ca. 99%

;=:'

CH 3COO- + H30+ ca. 1%

Der indstiller sig en ligev<egt. I 0,1 M CH 3COOH (aq) er det som anf0rt kun ca. 1% at eddikesyremolekylerne, der har reageret. De resterende ca. 99% findes som eddikesyremolekyler i opl0sningen. Ionen CH 3COO- kaldes en acetat-ion. Stoffer, der indeholder denne ion, er salte at eddikesyre. I k0kkenet anvender man husholdningseddike, som indeholder 4,8 masse% eddikesyre. Desuden kan man k0be koncentreret eddi kesyre, som indeholder 32 masse%. Den anvendes til afkalkning. Kalk (CaC0 3 ) opl0ses af eddikesyre, fordi CO}- er en base. Ren eddikesyre kaldes »iseddike«. Stoffet er en v<eske, som krystalliserer til en islignende masse ved afk0ling lidt under stue temperatur. Smeltepunktet er 17°C. Som n<evnt side 106 tilh0rer eddikesyre (ethansyre) en stof

Syre-basereaktioner

123

klasse, som kaldes earboxylsyrer. De 0vrige earboxylsyrer har no genlunde samme syrestyrke som eddikesyre. Tabel19 viser data for opl0sninger af de tre »klassiske« uorga niske syrer Syrerne forhandles som koneentrerede opl0sninger. Fortyndede syreopl0sninger til laboratoriebrug har traditionelt koneentrationen 2mol/L. label 19. Data for kon

Opl0sningens navn

Koncentration

Kone. svovlsyre Fort. svovlsyre

IBM H2SO 4 2M H2 SO 4

96% 17,S%

1,84gfmL 1,12gfmL

Kane. sa Itsyre Fort. saltsyre

12M HCI 2M Hel

36% 7,1%

l,18gfmL 1,03gfmL

Kane. salpetersyre Fort. salpetersyre

14M HN0 3 2M HN03

65% 11,9%

1,39gfmL 1,06gfmL

centrerede og fortyndede syreopl0sninger.

Indhold af syren (masse%)

Opl0sningens densitet

Salpetersyre og svovlsyre er st<prke syrer ligesom hydrogenehlo rid. Vi ser f0rst pa reaktionen mellem salpetersyre og vand:

Vi anvender -e> i reaktionsskemaet til at angive, at der er tale om en fuldst<pndig reaktion. I fortyndede oplosninger af salpetersyre er der sa godt som ingen salpetersyremolekyler. Man kan se i tabel19, at kone. svovlsyre indeholder 96 masse% svovlsyre, og altsa kun 4 masse% vand. Nar man h<plder kone. svovlsyre i vand, sker der f01gende reaktioner: H2S0 4 + H20 -;. HS0 4 - + H:,()+

HS0 4- + H20 ~ SO/- + H:\O+

Svovlsyre kaldes en diProt syre, fordi svovlsyremolekylet kan af give to protoner. Som vist i reaktionsskemaet for f0rste trin er H2S0 4 en st<prk syre. I andet trin optr<pder ionen HS0 4 - (hydro gensulfationen) som syre, og den reagerer kun delvist med vand. HS0 4 - kaldes en middelstmrk syre; den har noget st0rre tilb0je lighed til at reagere med vand, end eddikesyre har. Reaktionerne er exoterme, og temperaturen stiger kraftigt, nar man blander koneentreret svovlsyre og vand. Hvis man er uheldig, spmjter den varme syreopl0sning til aile sider, og det kan fa alvor lige konsekvenser. Man skal derfor v<pre meget forsigtig, nar man fortynder koneentreret svovlsyre. Fortyndingen skal ske ved at h<plde den "tunge« v<pske (svovlsyren) ned i den »lette" v<pske (vandet) i en tynd strale under ommring.

Hvis man derimod hzlder vand i konc. svovlsyre, risikerer man, at vandet lzgger sig oven pa svovlsyren. SA far man en lokal overophedning pa det sted, hvor vandet og svovlsyren e r i kontakt med hinanden, og sa kan syreoplusningen som nzvnt sprujte ud ti1 alle sider. Oplusninger af stzrke syrer virker kraftigt ztsende. Det gzlder naturligvis i s z r de koncentrerede opl~sninger,men s t z n k af en fortyndet oplclsning e r nok ti1 at z t s e huller i tcljet. Man skal naturligvis i s z r passe pa ikke at fa syre i cljnene. Skulle det ske, skal der omgaende skylles med rigelige mzngder vand. Salte af svovlsyre indeholder SO,'- eller HS0,-, mens salte af salpetersyre indeholder NO3-.

Opgave 95. Phosphorsyres formel er H3PO4.Deter en triprot syre, dvs. den

kan afgive tre protoner. Skriv de tre reaktionsskemaer for phosphorsyres reaktion med vand (ingen af reaktionerne forlober fuldstaendigt).

Opgave 96. Skriv formler for fem salte af svovlsyre og fem salte af sal-

petersyre og giv saltene navn.

Baser Ammoniak e r en base: H 2 0 + NH3 syre

OH- + NH4+

base

Bemzrk, at H 2 0 nu optrrvder som syre. H20 kan Abenbart bade optrzde som syre og som base. Ammoniak e r en svag base, som kun reagerer delvist med vand. I 0 , l M NH,(aq) e r som tidligere nzvnt kun ca. 1%af ammoniakmolekylerne omdannet ti1 ammoniumioner. Ammoniak e r i ren tilstand en gas ved atmosfzretryk. Oplusningen af ammoniak i vand kaldes ammoniakvand. Konc. ammoniakvand (,)tredobbelt salmiakspiritus~)indeholtler ca. 25 masse% NH:< (ca. 13M). Opl~sningenlugter kraftigt af ammoniak. Mange reng~ringsmidlerindeholder ammoniak. NaOH kaldes ofte en s t z r k base, men strengt taget e r det OH-, som e r en stzrk base. OH- har stor tilbejelighed ti1 at optage en proton, hvorved OH- omdannes ti1 H,O. d Vi skal nu se pa, hvad der sker, n i r man blander en HC1-opl~s-

ill

Figur 86. Sammenblanding af saltsyre og en natriumhydroxidopl~sning. Anvendes der a k v i valente mangder af HCI og NaOH, far man en ren oplosning af NaCl i vand.

NaCl (aq)

HCl(aq)

ning og en NaOH-oplasning (figur 86). HCI-opbsningen indeholder som tidligere nzvnt H30+og C1-. 1 NaOH-opl~sningener der ionerne Na+ og OH-. Nar de to oplasninger hzldes sammen, blander vi allsa fulgende ioner: H,O+

C1-

Na+

OH-

---

Her er H:]O+en s t z r k syre, mens OH- er en s t z r k base. Ved sammenbknndingen sker der f ~ l g e n d esyre-basereaktion: H30++ OHsyrr

2H20

bas?

Blandingen indeholder ionerne Na' og C1-, og det svarer ti1 en oplasning af natriumchlorid. Vi kan ogsa skrive et reaktionsskema for reaktionen med stofformler: HCl (aq) + NaOH (aq)

NaCl(aq) + H 2 0(1)

Hvis HCl og NaOH blandes i zkvivalente mzngder, far vi en ren opl~sningaf natriumchlorid i vand. Syren og basen ~ n e u t r a l i s e r e r ~ hinanden. Det svarer ti1 en gammel remse: ~ S y r og e base giver salt og vand<q. Andre ionforbindelser, som indeholder OH-, reagerer pA tiE svarende mide. I industrien anvender man hyppigt Ca(OH)2, nar man har brug for en base. Hvis man skal bruge en base i naturen, f.eks. ti1 at neutralisere syre i jordbunden eller i en s ~foretrzkker , man CaC03 (kalk). Carbonationen er nemlig ikke n z r sa s t z r k en base som hydroxidionen, og desuden er kalk meget tungtoplaseligt, sa koncentrationen af carbonationer i vandet i jorden eller wen bliver aldrig ret stor. Man skal v z r e meget forsigtig med baseoplcrsninger. De virker

stzrkt ztsende, og man skal passe specielt p i ikke at f i s t z n k i ojet. Baseopl~lsningerkan meget hurtigt give alvorlige ojenskader. Hvis der kommer base i ojet, skal der omgiende skylles med rigelige mzngder vand og lattge kontaktes.

Opgave 97. Skriv et reaktionsskerna rned elektronprikforrnler for

reaktlonen rnellern vand og arnrnonlak.

Opgave 98. Skrlv reaktionsskernaet for reaktlonen rnellern eddlkesyrernolekyler og hydroxldloner.

Opgave 99. Hvad sker der, nbr man blander en salpetersyreoplasning og en

natriurnhydroxidoplasning? Opgsvc 100. Nbr gasforrnig hydrogenchlorid og gasforrnig arnrnoniak rnades, dannes der en hvid rag. Hvad er det for e t fast stof, sorn er dannet?

Opgave 101. Carbonationen og phosphationen er baser. Gar falgende reaktionsskernaer faerdlge: H 2 0+ ~

0 $~

H 2 0 + P043- $

" .

pH-begrebet Vand kan som nzvnt optrzde bide som syre og som base. Der m i altsi v z r e mulighed for, at vandmolekyler kan reagere med hinanden:

rH + ~

H20+ H20 syre

OH- + H30+

hase

Denne reaktion kaldes vands autoprotolyse. Ordet protolyse betyder protonoverfarsel (dvs. syre-basereaktion), og en autoprotolyse er en protonoverf~lrselti1 nsig selv.. . Vand er uhyre svag bide sorn syre og som base, og reaktionen forlober kun i yderst ringe udstrattkning. Rent vand er en szrdeles dirlig elektrisk leder. Man kan mile ionkoncentrationerne i rent vand ved at mile den elektriske ledningsevne. lnden milingen skal vandet renses szrdeles omhyggeligt ved destillation, si man undgar fremmede ioner. Ved stuetemperatur maler man folgende ionkoncentrationer:

I I

&.&&M&~.~~NU*II~

-A

Rent vand:

[H30+l= 1,0.10-7M og [OH-] =1,0.10-7M

Produktet af de to ionkoncentrationer beregnes:

Dette resultat har vi fiet ved at se p i rent vand. Det viser sig imidlertid, at resultatet har gyldighed for alle fortyndede vandige opl0sninger (ved stuetemperatur). Autoprotolyse-ligevzgten ssrger for, at produktet af de to ionkoncentrationer holder sig konstant lig 1,0.10-'4M? Det f0lger af en lov for kemisk ligevaegt, som gennemgis i nzste bind. Hvis en oplssnings koncentration af H,O+ er meget stor, er koncentrationen af OH- altsi meget lille og omvendt. Kender man koncentrationen af enten H30t eller OH-, kan man umiddelbart beregne den andell ions koncentration. Eksempel 13. 1 en oplasning er [H30+]= 1,0.10-~M.Beregn [OH'].

Losning: Da produktet af de t o ionkoncentrationer er 1 , 0 ~ 1 0 - ' fAr ~ ~vi: ~,

I eksempel 13 er koncentrationen af H,O+ s t ~ r r eend koncentrationen af OH-. En sidan oplosning kaldes en sur oplssning. En oplosning kan v z r e sur, neutral eller basisk: Seren Peter Lauritz Serensen

1886-1939 Dansk kerniker, sorn var ansat pa Carlsberg Laboratoriurn, hvor han studerede proteiner. Han indfarte pH-begrebet i 1909. p star for potens-eksponent og H for hydrogenion. Nar hydrogenionkoncentrationen er

10-5M, er pH-vzrdien 5 osv.

[H30+l> [OH-] [H,O+l = [OH-] [H30+l< [OH']

sur oplnsning neutral opl~sning basisk oplnsning

H;O+ er den dominerende af de to ioner i sur oplssning, mens OHdominerer i basisk oplssning. En neutral opl~sningsvarer ti1 rent vand hvad angdr koncentrationerne af H,O+ og OH-. Begge koncentrationer er lig med 1,0.10-7M. En oplnsning af NaCl er et eksempel p i en neutral oplssning. Bemaerk, at et stof kan vaere en syre eller en base, hvorimod betegnelserne sur, neutral og basisk bruges om vandige oplosningez Man angiver en oplersnings surhedsgrad ved at angive oplnsningens pH-v~rdi.pH-begrebet er indfsrt af den danske kemiker S. I?L. Sorensen. En oplssnings pH-vaerdi er defineret som minus logaritmen ti1 talvzrdien af H,O+-koncentrationen:

For rent vand f i r vi:

Man taster 1,0.10-~ind p i lommeregneren, trykker p i Ilog og derefter p i for at skifte fnrtegn. Sammenha-ngen mellem pH og koncentrationerne af H,O+ og OH- kan gengives p i fnlgende mide:

+/-

SUP

~ 4

hasisk

neufral

h -

0 1

HCI + H,O

I0 ,

i .

-, C1-

+ HIO+

Hvis man f.eks. tilsa-tter sA meget syre, at [H30+]bliver 1,0.10-3M, bliver oplclsningens pH-va-rdi lig med 3. Tilsztter man endnu mere af syren, vokser [H,O+],hvorved pHva-rdien bliver endnu mindre. En formindskelse af pH-va-rdien med 1 enhed svarer til, at [H,O+] bliver 10 gange storre. Nede i den lave ende af pH-skalaen e r [H30+lmeget stor. Man kan ha-ve en oplclsnings pH-va-rdi ved at tilsa-tte en passende base. Nir pH na-rmer sig 14, bliver [OH-] meget stor. I prak-

En neutral opl0sning har en pH-va-rdi p i 7. pH er mindre end 7 i en sur oplclsning og stclrre end 7 i en basisk oplclsning. Man kan gclre en neutral oplclsning sur ved at tilsa-tte en passende syre, f.eks. HCl. Ved syretilsa-tningen clges [H30+l,fordi der dannes oxoniumioner ved syrens reaktion med vandet i oplclsningen:

I 1

label 20. Eksernpler pa

pH-vaerdler.

0.1 M HCI

4-5

Mavesaft

1-3

Spyt (rnenneske)

6,5-7.5

C~tronsaft

2.2-2.4

Blod (rnenneske)

7.3-7.5

0.1 M CH,COOH

2,9

Drlkkevand

6,5-8.0

Vin

2.4-3,4

0.1 M NH,

11,l

Appelsinsaft

3-4

0,lM NaOH

sis g i r pH-skalaen fra lidt under 0 ti1 lidt over 14. Tabel 20 giver nogle eksempler p i pH-vzrdier. pH er et begreb, som v e d r ~ r e rvandige oplasninger, og pH-vzrdien fortzller os om H,O+-koncentrationen i opl~sningen.Derimod kan man ikke tale om et stofs pH-vzrdi. Man kan altsi ikke tale om en syres eller en bases pH-vardi, men man kan tale om, at en opl~sningaf stoffet i vand har en pH-vzrdi. Opgave 102. Man har en oplersning med [H30+]= 4,6.10-9M. a) Beregn pH. b) Er oplosningen sur eller basisk? c) Beregn [OH-] i oplosningen.

MAling og beregning af pH Man kan f i visse oplysninger om en oplersnings pH-vaerdi ved at tilsztte en syre-baseindikator. Man tilsatter nogle f i driber af indikatoren og ser p i , hvilken farve indikatoren fir i opl~sningen. Farven afhznger af oplersningens pH-vzrdi. Som eksempel tager vi indikatoren bromcresolgrernt. Denne indikator er gul ved pH-v~rdierunder 3,8 og bli ved pH-vzrdier over 5,4. I omslagsomridet fra 3,8 ti1 5,4 er farven en blanding af gul og bli, dvs. grern. Figur 87 viser nogle indikatorers farver og omslagsomrider. Universalindikatorpapir er imprzgneret med en r z k k e forskellige indikatorer. Man kan male en oplasnings pH ved at overfare en dribe af oplersningen ti1 papiret, som derefter sammenlignes med en farveskala (figur 88 p i n z s t e side).

Methylorange

r0d

9ul 3,r

gul

&omcreso/sr0nt

bla' 3,8

Brornthymolbl~f

gul

bla' 6.0

Figur 87. Nogle hyppigt anvendte syre-baseindikatorer.

Pholj~hthalein

Thymo1bla"t

farml~s

r d

Y:.~:~~~, ~ md

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

2,8

........................ ............... .......... (. :.: ................. ............... ....... .......

8.0

bid

Figur 88. Universalindikatorpapir.

Med et pH-meter kan man lave en n~jagtigpH-miling (se figur 89). Hvis man har malt pH, kan man beregne [H,O+l ved at bruge f01gende formel:

Figur 89. E t pH-meter. pH-metret maler pH for oplosningen i bzgeret, som ses ti1 venstre pa billedet.

Eksempel 14. En oplosn~ngspH males t ~9,12 l Beregn [H30+]. Losning: [H,O+] = 10-pH = 10-9.'2 Med lommeregneren kan dette omskr~vest ~etl ))normalt(( tal ved a t bruge tasten

I Det. er dog lettere at benytte

og [:

[H30+] = INVlog(-pH) = INVlog(-9,12) = 7 , ~ 9 . 1 0 - ' ~ ~

lndtast 9.12 og tryk p i

for at skifte fortegn. Tryk sd pd

og ti1

]

sidst pa

Denne indtastningsraekkefalge gaelder, hvis man har en sim-

pel lommeregner. Eventuelt star der ~ 2 n d (i( stedet for ))INVe pa tasten.

Eksempel 15. Dette eksempel viser, hvordan man beregner pH i en 0pl0Snlng af en stark syre. Vi skal beregne pH i 0,OZOM HCI.

L ~ s n i n g :Som staerk syre reagerer HCI fuldstaendigt rned vand: HCI + HzO

CI-

+ H30+

HCI omdannes ti1 H,O+ i forholdet 1:l. Heraf fas [H,O+] = O,OZOM, hvorefter vi anvendes pH-definitionen: pH = -log[H30+] = -logO,OZO = 1.7 Oplrasningen er ret staerkt sur.

Opgave 103. En oplasnings pH-vaerdi er lig rned 1.26. Beregn [H30+] og I

[OH-].

Opgave 104. Beregn pH i 0,0072M HNO,. Opgave 105. Hvad er [OH-] i 0,0040M NaOH? Beregn dernaest [H30+]o g pH. Beregn pH i 0,0040M Ba(OH)2.

Opgave 106. Opskriften pd en universalindikator lyder: Oplras 0 , l g phenolphthalein, 0,3g methylorange, 0.29 methylrradt, 0.49 bromthyrnolbldt og 0,5g thymolbl6t i Y2 liter ethanol . Ansla ved hjaelp af figur 87 hvilken farve denne universalindikator vil fa ved fralgende pH-vardier: a) pH = 1

b) pH = 4

c) pH = 7

d) pH = 10

e) pH = 13

Syre-basetitrering Pa figur 90 titreres en HC1-opl~sningrned en NaOH-oplcrsning. Titreringsreaktionen er:

H30'+ OH-

I \

2H,O

Vi kan ogs5 skrive reaktionsskemaet rned stofformler: HCl+ NaOH 20.0mL HU-opiuning

Figur 90. Titrering af en HCI-opl~sningrned en NaOH-opl~sning.

NaCl+ H,O

Ved titreringen reagerer OH- fra buretten rned H,O+ fra kolben. Derved formindskes kolbens indhold af H30+,dvs. opl~sningens pH stiger. I starten stiger pH kun lidt (se figur 91 p i n z s t e side), men lige nar man kommer ti1 zkvivalenspunktet, bevirker tilszetning af en enkelt drabe NaOH-opl~sning,at pH stiger flere en-

Figur 91. Variationen i

pH ved tildrypning af 0,100M NaOH ti1 20,OmL 0,100M HCI.

20mL

volumen 4400 M NaOH

heder. Efter det bratte pH-spring omkring zkvivalenspunktet bliver stigningen igen moderat. Kurven kaldes en titrerkurve. Ved titrering af en HC1-oplosning med en NaOH-oplnsning, svarer zkvivalenspunktet ti1 en oplnsning af NaCl i rent rand, dvs. pH er lig med 7 i zkvivalenspunktet. Hvis man titrerer 20,O mL 0,100M HCl med 0,100M NaOH, ligger zkvivalenspunktet ved 20,OmL tilsat NaOH-oplclsning (figur 91). P i figur 92 ses titrerkurven for et helt tilsvarende forsclg, bortset fra at der anvendes en lidt anden HC1-koncentration. S i rykker zkvivalenspunktet hen ti1 et andet volumen NaOH-oplnsning, men ellers er kurvens form stort set uzndret.

Figur 92. Titrerkuwen

for t ~ t r e r i n gaf 20,OmL HCI-oplasning med 0,100M NaOH. Omslagsomr5derne for m e t h y l r ~ dot g phenolphthale~ner markeret pd titrerkurven.

Nir man laver en titrering, er man interesseret i en nnjagtig bestemmelse af det volumen NaOH-oplclsning, som svarer ti1 = h i valenspunktet. Man kan g e n n e h r e titreringen med en passende indikator, som skifter farve, n i r zkvivalenspunktet passeres. Det kaldes en kolorimetrisk syre-basetitrering.

N i r vi passerer zekvivalenspunktet, fir en enkelt dribe NaOHoplasning pH-vzerdien ti1 at stige Bere enheder. Derfor behaver indikatoren ikke s l i om lige ved pH=7. Indikatorens omslagsomride skal blot ligge p i det lodrette kurvestykke. Som indikator kan man f.eks. vzelge methylrodt eller phenolphthalein, se figur 92. I eksemplet p i figuren vil begge indikatorer skifte farve, n i r der er tilsat praxis 16,1mL. Ved titrering af en eddikesyreoplersning med en NaOH-oplersning bliver reaktionsskemaet: / I

CH,COOH + OH-

CH,COO- + H 2 0

eller med stofformler: CH3COOH + NaOH

CH3COONa + H 2 0

Titrerkurven ses p i figur 93. Kurven begynder noget hojere oppe end titrerkurven for HC1, fordi CH3COOH kun er en svag syre. Det lodrette kurvestykke er noget mindre end ved titrering af HCl. Figur 93. Titrerkurve for titrering af 20,OrnL

?pH 13-

0,100M CH,COOH med 0,100M NaOH.

1011

nkvivulenspunkt

Ekvivalenspunktet ligger i det basiske omride. I zekvivalenspunktet indeholder oplosningen CH,COO-, som en en svag base. Phenolphthalein vil v z r e en velegnet indikator. Opgave 107. Titrerkurven pa figur 92 stammer fra et forsog, hvor man titrerede 20,OmL HCI-oplssning med 0,100M NaOH. a) Beregn den stofmangde NaOH, der er tilsat ved aekvivalenspunktet.

b) I hvilket forhold reagerer HCI og NaOH? c) Beregn HCI-opl~sningenskoncentration.

134

Redoxreaktioner

Oxidation og reduktion Som eksempel ser vi mermere pa reaktionen mellem magnesium og oxygen:

I'·

2 Mg(s) + 02(g)

Figur 94. Atbra!nding

at et stykke magnesium.

----'>

2MgO(s)

Man kan lave reaktionen ved at antrende et stykke magnesium (figur 94). Man bor kun se kortvarigt pa forbrrendingen, da lyset er meget kraftigt. I gamle dage afbrrendte man magnesium, nar man skulle fotografere indendors. Ved forbr<pndingen dannes et fast, hvidt stoL Det er magnesiumoxid. En model af reaktionen ses pa figur 95. Magnesium bestar af »uendelig« mange magnesiumatomer i et metalgitter. Oxygen be star naturligvis af molekyler. Ved reaktionen dannes Mg2+ og 0 2-, som samles i et iongitter, dvs. der dannes fast MgO.

Figur 95. Model at reak

tionen 2 Mg(s) + 02(g)

-'>

2 MgO(s).

Bade M g 2+ og 0 2- inde

holder 10 elektroner, men

kerneladningerne er hen

holdsvis +12 og +8, og

dertor er M g 2+ meget

mindre end 0 2-.

•

MgO(s)

Vi skal nu indfore begreberne oxidation og reduktion. Disse ord har skiftet betydning i tidens lob. Oprindelig talte man om oxida tion, nar et stofs oxygenindhold blev foroget. Omdannelsen af Mg til MgO var en oxidation, en omdannelse af CO til CO 2 var en oxi dation osv. Modsat var en reduktion en formindskelse af oxygenindholdet. En omdannelse af MgO til Mg var en reduktion. Nar Mg omdannes til MgO, sker der i virkeligheden en omdan nelse af Mg til Mg2+. Vi kan l<pgge vregt pa dannelsen af ioner ved at skrive reaktionen mellem magnesium og oxygen sadan: 2 Mg + O2

----'>

2 Mg2+ + 20 2

Der sker ogsa en omdannelse af Mg til Mg 2+, nar magnesium rea gerer med chlor:

135

Redoxreaktioner

Mg + C12

Mg2++ 2Cl

Ved denne reaktion samles ioneme i et MgC1 2-iongitter. Der er intet specielt ved reaktionen med oxygen. I modeme kemi defineres begreberne oxidation og reduktion s~Uedes: En oxidation er en afgivelse af elektroner.

En reduktion er en optagelse af elektroner.

Vi kan skrive oxidationen og reduktionen hver for sig. Reaktionen mellem magnesium og oxygen anvendes som eksempel: 2Mg O2 + 4e-

~ ~

2Mg2++ 4e 20 2

Redoxreaktion: 2Mg + O2

2Mg 2++ 20 2

Oxidation: Reduktion:

Under stregen star »summen« af de to delreaktioner, dvs. total reaktionen. Den kaldes en redoxreaktion. Ved en redoxreaktion sker der en overfersel af elektroner. Da elektronerne ikke kan ek sistere frit, rna en oxidation altid vcere ledsaget af en reduktion. Som ncevnt samles de dannede ioner i et iongitter. Reaktionerne mellem magnesium og oxygen og mellem magne sium og chlor er typiske eksempler pa reaktioner mellem metaller og ikke-metaller. Det gcelder generelt, at metaller kan afgive elek troner og danne positive ioner, mens ikke-metaller (undtagen de cedle gasser) kan optage elektroner og danne negative ioner. Opgave 108. Del f01gende reaktionsskemaer op i en oxidation og en reduk tion: ~

a) 2Na + CI 2

2NaCI

b) Ca + Br2 ~ CaBr2 c) 2AI + 3S

d) 4AI + 30 2

AI 2S3

2AI 20 3

Sprendingsrrekken Vi skal nu se pa nogle redoxreaktioner, som forleber pa grcense £laden mellem et metal og en vandig oplesning. Hvis man f.eks. an bringer et stykke zink i en vandig oplesning, der indeholder Cu 2+, dannes der kobber: Zn(s) + Cu 2+(aq)

Zn 2+(aq) + Cu(s)

136

Redoxreaktioner

Zn(s)

CUS04 (aq.)

Et zinkstykke dyppes i en oplosning af kobber(lI)sulfat. Sulfat ionerne er blot passive tilskuere til reaktionen.

Figur 96.

Pa figur 96 laves reaktionen ved at dyppe et zinkstykke i en CuSOr oplosning. Ved reaktionen overfores der to elektroner fra Zn til Cu 2+. Reaktionen rna ske ved at kobberionen stoder ind i zink stykkets overflade og modtager to elektroner fra et zinkatom. Der ved bliver zinkatomet til en zinkion, som sa bevreger sig ud i oplosningen. Det dannede kobber sretter sig pa zinkstykket som en mark belregning. Ved reaktionen oxideres zink til zinkioner samtidig med, at kobber(II)ioner reduceres til kobber: Oxidation:

Zn(s) ---'> Zn 2+(aq) + 2e

Reduktion: Cu 2+(aq) + 2e- ---'> Cu(s) De negative ioner i oplosningen har ingen betydning for reak tionen. I stedet for en CuSOroplosning kan man bruge en oplos ning af f.eks. CuClz eller Cu(N0 3 }z. Ved reaktionen afgiver zink elektroner og bliver til zinkioner, mens kobberioner optager elektroner og bliver til kobber. Zink har abenbart storre »tilbajelighed« end kobber til at afgive elektroner. I spamdingsrmkken er metallerne anbragt i rrekkefalge efter deres tilbojelighed til at afgive elektroner: ~t K Ba Ca Na Mg AI

Zn Fe Pb Hz Cu Ag

reaktionsdygtige metaller

Oxidations ra'!kkefolge af metaller (og hydrogen).

label 21.

K(s) ---'> K+(aq) + e Ba(s) ---'> Ba 2+(aq) + 2e Ca(s) ---'> Ca 2+(aq) + 2e Na(s) ---'> Na+(aq) + e Mg(s)---'> Mg2+(aq) + 2e AI(s) ---'> AI 3 +(aq) + 3e Zn(s) ---'> Zn 2+(aq) + 2e Fe(s) ---'> Fe 2+(aq) + 2e Pb(s) ---'> Pb 2+(aq) + 2e H2(g) ---'> 2W(aq) + 2e Cu(s) ---'> Cu 2+(aq) + 2e Ag(s) ---'> Ag+(aq) + e Pt(s) -+ Ptz+(aq) + 2e Au(s) -+ Au+(aq) + e-

Pt Au

<edle metaller

Sprendingsrrekken grelder for elektronoverforsler, som foregar pa grrensefladen mellem metallet og en vandig oplosning. Hvis man gar mod venstre i sprendingsrrekken, stiger metallernes tilboje lighed til at afgive elektroner. Tabel 21 er en lidt anden opstilling af sprendingsrrekken. Her er oxidationen af metallet anfort, sa man kan se metalionens forme!. Et metal kan afgive elektroner til ioner af de metaller, som star lrengere til hojre i sprendingsrrekken. Zink kan altsa afgive elek troner til f.eks. Pb 2+, Cu2+og Ag+, men ikke til f.eks. Na+ eller Mg2+. Kobber kan afgive elektroner til Leks. Ag+: Cu(s) + Ag+(aq) ---'> Cu 2+(aq) + Ag(s)

(ikke afstemt)

Dette reaktionsskema er ikke afstemt. Ladningen er ikke den samme pa begge sider af reaktionspilen. Vi kan ogsa se, at elek tronafgivelsen og elektronoptagelsen ikke passer sammen. Cu af giver 2 elektroner, og Ag+ optager kun 1 elektron. Et Cu-atom rna derfor reagere med to Ag+: Cu(s) + 2Ag+(aq) ---'> Cuz+(aq) + 2Ag(s)

Mn'St .r

.• ; F

T'-"

r_t_t.........

r" I

137

Redoxreaktioner

Derimod kan eu ikke reagere med Na+, Mg2+, Zn 2+, Fe2+eller Pb 2+. Hydrogen er taget med i spcpndingsrcekken. Metaller, der star til venstre for hydrogen i spcpndingsrcpkken, kan reagere med en vandig oplosning af en syre og danne hydrogen, Leks.:

Her er der skrevet H+ for at gore reaktionsskemaet overskueligt, men der er naturligvis ikke tale om en fri proton. H+ er bundet til vand, dvs. H+ er en kort betegnelse for H30+. Metallerne yderst til venstre i spcpndingsrcpkken reagerer meget voldsomt med syreoplosninger. De kan desuden reagere med vand. Som eksempel tager vi reaktionen mellem natrium og vand. Ved reaktionen dannes hydrogen og en oplosning af natrium足 hydroxid. 2Na(s) + 2H 20(l)

---0>

2Na+(aq) + 20W(aq) + Hz(g)

Yderst til hojre i spcpndingsrcpkken star de cedle metaller. De er meget lidt reaktionsdygtige. Spcpndingsrcpkken fortcpller, om en given reaktion har mulighed for at forlobe. men man kan ikke vcpre sikker pa, at reaktionen foregar i praksis. Eeks. er aluminium ikke scprligt reaktionsdygtigt pa trods af, at aluminium star ret langt til venstre i spcpndings足 rcpkken. Det skyIdes, at en aluminiumoverflade normalt er dcpkket af et beskyttende lag af Al Z0 3, som hindrer, at metallet reagerer. En blyoverflade er ogsa i mange tilfcplde beskyttet af et lag, som hindrer reaktion. Eeks. taler et stykke bly at blive anbragt i svovl足 syre. Bly burde reagere med syren, da bly star for hydrogen i spcpndingsrcpkken.

Opgave 109. Betragt folgende blandinger: a) Zink i en magnesiumchloridoplosning b) Zink i en solvnitratoplosning c) Solv i en bly(II)nitratoplosning d) Bly i en kobber(II)chloridoplosning Skriv reaktionsskemaer i de tilf~lde, hvor der sker en kemisk reaktion.

Opgave 110. Skriv reaktionsskema for reaktionen mellem calcium og vand. Nar denne reaktion har forlobet et stykke tid, begynder der at f~lde et hvidt stof ud. Hvad er det for et stof, som forst efter et stykke tid?

f~lder

ud? Hvorfor dannes bundfaldet

138

Redoxreaktioner

Korrosion I et moderne samfund spiller metaller en stor rolle. Det geelder om at undga, at metallerne oxideres til metalioner. Denne »0deleeg gelse« af metallet kaldes korrosion eller {(Ering. Den vigtigste korrosionsproces er naturligvis omdannelsen af jern til rust. En overflade af jern angribes meget hurtigt, nar den pa samme tid er i kontakt med vand og med luftens oxygen, se figur 97. F0rste trin i rustdannelsen er en oxidation af jern til jern (II) ioner: 2Fe(s) + 02(g) + 2H 20(l)

---0>

2Fe 2+(aq) + 40W(aq)

Oxygen, der er Opl0St i vandet, oxiderer derefter Fe2+ videre til Fe:J+, som sammen med OH- danner det mdbrune stof, vi kender som rust: 02(aq) + 4Fe2+(aq) +80H-(aq)

---?

4FeO(OH)(s) +2H 20(l) rust

Formlen for rust skrives FeO(OH), dvs. rust er opbygget af Fe 3+, 0 2- og OH-, men rust har dog ikke nogen helt veldefineret sam menseetning.

J I

Figur 97. Korrosion i en

vand

vanddrabe pa en jern

overflade. Jern kan trans portere elektronerne, sa

Fe3+ rust

Fe" ---7 Fe 3 + l' rust

oxidationen af jern og reduktionen af oxygen kan ske to forskellige steder.

Figur 98. Et stykke gal

Man kan undga rustdanneIsen ved at forhindre, at jernet kommer i kontakt med vand og oxygen. Det kan man g0re ved at male jern genstanden med en teet maling eller ved at sm0re den ind i vandfor treengende olie. Man kan ogsa beskytte jern ved at overtreekke det med et lag zink. Det kaldes at galvanisere eller forzinke jernet. Zink holder sig ret godt, fordi der dannes et tyndt, beskyttende lag pa zinkover fladen. Laget bestar af zinkoxid og zinkcarbonat. Zinken virker beskyttende, selv om der gar hul i zinklaget, sa jernoverfladen blottes, se figur 98. Hvis der er elektrisk ledende

vaniseret jern dil2kket af en vandfilm. Selvom der er hul i zinklaget, virker zinken beskyttende, idet den oxide res for jernet.

- Z

~~ -W: un nt'trtrrtrrt' :ttl'

p')

~ (.

.. , '.- .. ...•... -_ J,-.. }-,'-'

Redoxreaktioner

Figur 99. En varmt

vandsbeholder af jern kan beskyttes med en magnesiumstang, som er i elektrisk ledende forbin

139

forbindelse mellem zink og jern, vil zink afgive elektroner for jern. Zink star jo til venstre for jern i sp<endingsr<ekken. Man kan sige, at man »ofrer« zinken for at bevare jernet. Dette princip kendes ogsa f.eks. fra varmtvandsbeholdere, som man kan beskytte ved at placere en stang af zink eller magnesium inde i dem, se figur 99. En sadan stang skal fornys efter et par ar, fordi den t<eres v<ek. Man kan ogsa beskytte jern ved at lave en legering af jernet med visse andre metaller. Rust/rit still er en jernlegering, der har et ret stort indhold af chrom og nikkel. Luftforureningen fremmer i hoj grad korrosionen af metaller. I en forurenet atmosf<ere kan selv rustfrit stal blive angrebet.

delse med beholderen.

Oxidationstal Vi har set pa nogle forholdsvis simple redoxreaktioner. Redoxreak tioner kan have ret indviklede reaktionsskemaer. For at lette afstemningen tilde1er man atomerne et sakaldt oxidationstal. Oxi dationstallet skrives med romertal, f.eks.:

Na+

+11

Mg 2+

-I

Cl-

I disse simple tilf<elde er oxidationstallet Jig med ladningen. I en ionforbindelse som NaCl har Na oxidationstallet +1 og CI oxida tionstallet ~ 1. Hvis to atomer er bundet sammen med en kovalent binding, skal vi ved tildelingen af oxidationstal t<enke os, at de f<elles elektroner overfores helt til det mest elektronegative af de to atomer. Som ek sempler ser vi pa HCl, H20 og NH:j : 00

HI~Cl:

HI~o : AO

Her er Cl, 0 og N mere elektronegative end H. Som stregerne viser, skal vi t<enke os, at de f<elles elektroner i bindingerne over fores helt til henholdsvis Cl, 0 og N. Dette svarer til en opsplitning af molekylerne i ioner:

Atomerne tildeles oxidationstal, som svarer til denne t<enkte op splitning i ioner: +1 -I

HCl

-III +1

NH 3

Nar H er bundet sammen med et mere elektronegativt atom, skal

-'I

140

Redoxreaktioner

det fcelIes elektronpar altid overferes til det mere elektronegative atom. Det betyder, at H far oxidationstallet +1 (rege11 i tabel 22). Nar 0 er bundet sammen med mindre elektronegative atomer, far O-atomet oxidationstallet -II (rege12). label 22. RegIer for til deling af oxidationstal.

1. Nar H er bundet til et mere elektronegativt grundstof. har H-atomet oxidationstaliet +1. 2. Nar 0 er bundet til mindre elektronegative grundstoffer. har O-atomet oxidationstallet -II. 3. Sum men af oxidationstallene er Iig med formelenhedens ladning.

Bemcerk, at man skriver +1 over H i H 20 og NH 3 , selv om disse formler indeholder flere H-atomer. Man skriver aItsa oxidations tallet for et enkelt atom. For et molekyle gcelder, at summen at oxidationstallene er lig med O. F.eks. er summen af oxidationstallene for N-atomet og de tre H-atomer i NH 3 lig med O. Det er ikke sa underligt. Vi har jo fundet oxidationstallene ved at tcenke os, at det neutrale molekyle splittes op i ioner. Vi betragter nu en sammensat ion, f.eks. SO/-. Nar man giver atomerne oxidationstal, skal man ogsa i dette tilfcelde tcenke sig, at der sker en opsplitning i simple ioner. Summen at atomernes oxi dationstal bliver naturligvis lig med den sammensatte ions ladning. 1 sulfationen far man resultatet -2, hvis man !<pgger oxidationstal lene for S-atomet og de fire O-atomer sammen. Dette skal vi senere benytte til at beregne svovlatomets oxidationstal (eksempeI16). For bade molekyler og ioner gcelder altsa, at summen af oxida tionstallene er Jig med ladningen (se regel 3 i tabel 22). Hvis en kemisk formel kun indeholder et enkeIt atom, er det uden mening at tale om en sum at oxidationstal. 1 dette tilfcelde er oxidationstallet simpeIt hen lig med ladningen:

Cu Vi har tidligere benyttet oxidationstal ved navngivning at ioner. lonerne ovenfor hedder en kobber(I)ion og en kobber(II)ion. 1 grundstoffer er ens atomer bundet sammen, og sa skal elek tronerne deles ligeligt ved tildeling af oxidationstal. Som eksempel ser vi pa C1 2:

Delingen giver hvert chloratom 7 elektroner. Det svarer til en op

>"IW'

141

Redoxreaktioner

deling i to neutrale Cl-atomer, og Cl far derfor oxidationstallet 0. Det er i overensstemmelse med regel 3. Denne regel siger for C1 2 , at de to Cl-atomer tilsammen har oxidationstallet 0, og da atomerne er ens, rna de hver have oxidationstallet 0.

Eksempel 16. Beregn oxidationstallet for svovl i 50/-.

L0sning: Vi vii f0rst finde oxidationstallet ved at opstille en ligning. 5vovl

atomets oxidationstal kaldes x:

x + 4·(-2}

= -2

<=> x

Ligningen udtrykker, at summen af oxidationstallene er Iig med ladningen

(regel 3 i tabel 22). Desuden har vi udnyttet regel 2.

Man kan naturligvis ogsa finde resultatet ved hovedregning:

»De 4 O-atomer giver tilsammen -8, og da summen skal vaere -2, rna

5-atomet have oxidationstallet +6«.

Eksempel17. Beregn oxidationstallet for N i HN0 3 . L0sning: Oxidationstallet for N-atomet kaldes x: +V

1+x+3'(-2} =0

<=>

x=5

HN0 3

Eller ved hovedregning: »De 3 O-atomer giver -6, som sam men med +1 fra H-atomet giver -5. Da summen skal vaere 0, bliver oxidationstallet for N lig med +5«.

Eksempel18. Beregn oxidationstallet for chrom i Cr20/-. L0sning: Oxidationstallet for et Cr-atom kaldes x:

2·x + 7·(-2}

= -2

<=> x

+VI

Cr20/

»De 7 O-atomer giver -14, og da sum men skal vaere -2, bliver der + 12 til deling mellem de to chromatomer, dvs. +6 til hver«.

For hovedgruppegrundstofferne g<elder, at kun elektroner fra yder ste skal deltager i bindingsdannelsen. Det st0rst mulige oxi dationstal bliver lig med gruppenummeret. Dette oxidationstal svarer nemlig til, at aIle elektroner i yderste skal er afgivet. I mange tilf<elde er der naturligvis ikke tale om en virkelig elek tronafgivelse, men om en t<enkt overf0rsel af elektroner til mere elektronegative atomer, som det pag<eldende atom er bundet til. Det er dog ikke aIle hovedgruppegrundstoffer, der kan opna et oxidationstal, som er lig med gruppenummeret. Eeks. kender man

142

Redoxreaktioner

ingen oxygenforbindelser, hvor oxygen har oxidationstallet +VI. Hvis oktetreglen overholdes, kan der kun optages elektroner op til 8 i yderste skal. Det lavest mulige oxidationstal bliver da gruppe nummeret minus 8. Eeks. er clet laveste oxidationstal for fluor -I, for oxygen -II og for nitrogen -III.

Opgave 111. Find oxidationstal for svovl i H2 5, 5020 503, H2 50 3, 50l-,

H50 4 -, 52 - og 58' Opgave 112. Find oxidationstal for nitrogen i NO, NOb N2 0, NH 4 +, N2 H4 ,

HN0 2 , NH 20H, N2 0 4 , N2 0 S' N0 3-, N0 2 - og N2 • Opgave 113. Hvilket oxidationstal skal man give hydrogen i NaH?

Opgave 114. Hydrogenperoxid (H 2 0 2 ) har stregformlen H -

5kriv elektronprikgformlen for stoffet og argumenter for, at

°-°°

skal have

oxidationstallet -I.

Opgave 115. Hvilket oxidationstal skal man give oxygen i OF 2 ? Opgave 116. Reglerne i tabel 22 kan naturligvis ikke klare aile tilf~lde. .

Foresla fornuftige oxidationstal for atomerne i folgende formler:

','"

a) AICI 3

b) PCI 3

Mstemning af reaktionsskemaer for redoxreaktioner Ved en oxidation sker der en stigning i oxidationstal: Oxidation:

+II

---c>

Mg 2+ + 2e

L2i~ Idette eksempel stiger oxidationstallet 2 trin (fra 0 til +11), og det svarer til, at cler a/gives 2 elektroner. Ved en reduktion sker der et /ald i oxidationstal: o -II

Reduktion: O2 + 4e- ---? 20 2

L z.z.J.---l Oxidationstallet for et O-atom falder 2 trin, men da der er to O-atomer i reaktionsskemaet, bliver det samlede fald 4 trin. Det r er

' ' ' liIiiliili1•· ·.'·iIl' • .'I11III11I':Iili:lii..

.h:H.••' .,.....llllIweloi·'i....,"""",,

H.Iil il~ i:.Il Oil~.:ail 1.~,l;ied:Iil .:ilI,a/li~!I1i I'til~ l ~iI: I:li:IiI !~Ii :lb.1li31.,I'~lItl'

.. 'lIIifIliiUIl1ilililil'liIIit'1...· c....,C.,i-'

143

Redoxreaktioner

Ved afstemning af reaktionsskemaer skat man s0rge for, at den samlede stigning i oxidationstal bEyer lig med det samlede fald. Herved sikrer man sig nemlig, at antal afgivne elektroner bliver lig med antal optagne elektroner. Det afstemte reaktionsskema for reaktionen mellem magnesium og oxygen anvendes som eksem pel. Her er bade stigning og [aid lig med 4, dvs. der overf0res 4 elektroner:

+II -II

2Mg + Oz --'> 2MgO

L 2·2J.--r~ 2·2i----l

Vi gar nu et skridt videre og definerer begreberne oxidation og reduktion ved hjcelp af oxidationstal: En oxidation defineres som en stigning i oxidationstal. En reduktion defineres som et fald i oxidationstal. Hermed har vi udvidet begreberne oxidation og reduktion til ogsa at omfatte nogle reaktioner, hvor der ikke sker en egentlig elek tronoverf0rsel. Det fremgar af f01gende eksempel:

Hz + Clz

+1 -I

--'>

2HCl

If0lge den nye definition oxideres hydrogenatomerne i denne reak tion, mens chloratomerne reduceres. Der er imidlertid ikke tale om en egentlig elektronafgivelse og elektronoptagelse. Ved reak tionen dannes der HCI-molekyler og ikke W og Cl-. Hvis vi skriver reaktionsskemaet med elektronprikformler, kan vi se, hvad der sker: H ~ H + : CI : CI:

--'>

H ~ CI: + H ~ CI :

I de to molekyler pa venstre side af reaktionspiten er der rene ko valente bindinger med en symmetrisk elektronfordeling. I de to molekyler pa h0jre side er bindingerne polcere med en elektronfor skydning over mod Cl. Ved reaktionen sker der altsa en elektron forskydning bort fra H og over mod Cl. Vi kan sige, at H delvist afgiver og CI delvist optager elektroner. Ved en oxidation sker der en hel eller delvis

afgivelse af elektroner.

Ved en reduktion sker der en hel etler delvis

optagelse af elektroner.

144

Redoxreaktioner

I den reaktion, vi ser pa, stiger de to H-atomer tilsammen 2 trin i oxidationstal, mens de to Cl-atomer tilsammen falder 2 trin. Ogsa nar der kun er tale om delvise elektronoverf0rsler, skal samlet stigning i oxidationstal v<pre lig med samlet fald. Tabel 23 angiver en trinvis fremgangsmade til afstemning af reaktionsskemaer for redoxreaktioner i vandig op10sning.

reaktionsskemaer for

1. Opskriv reaktionsskemaets grunde/ementer; grundelementerne er de formler, som indeholder atomer, der skifter oxidationstal.

redoxreaktioner i vandig

2. Find oxidationstallene for disse atomer. Scet koetficienter foran form Ierne,

label 23. Afstemning af

oplosning.

sa sam let stigning i oxidationstal bliver lig med sam let fald. Kontroller, at aile atomer undtagen Hog er afstemt.

3. Afstem ladninger med Wi sur oplosning og med OW i basisk oplosning.

4. Afstem H ved at tilfoje H20. 5. Kontroller, at

er afstemt.

Eksempel 19. En oplosning af jern(lI)sulfat gores sur med svovlsyre. Nar man derefter tilscetter en oplosning af kaliumpermanganat (KMn04), sker der en kemisk reaktion. Man ser, at permanganatoplosningens rodviolette farve forsvinder.

1. Afstem reaktionsskemaet: Fe 2+ + Mn0 4- ---'> Fe 3 + + Mn 2+ Her er grundelementerne skrevet op. Det krcever et vist kemisk overblik at opskrive grundelementerne, men det vcesentlige pa nuvcerende tidspunkt er at lcere at afstemme reaktionsskemaet.

2. Det er Fe og Mn, der skifter oxidationstal. Oxidationstallene findes, og stigning og fald noteres: II

VII

Fe 2+ + Mn04-

III

~ ~ st

Fe 3 + + Mn 2+

---'>

_j------1

Som angivet stiger Fe-atomet 1 trin (fra +11 til +111), mens Mn-atomet falder 5 trin (fra +VII til +11). Hvis vi tager 5 Fe-atomer og 1 Mn-atom, bliver stigning og fald begge Jig med 5. Der scettes koetficienter foran form Ierne, sa vi har 5 Fe-atomer og 1 Mn-atom pa begge sider: II

VII

5Fe2++Mn04-

III

---'>

5Fe 3 ++Mn 2+

~ s t -J------1 L-s·,t---

3. Vi finder den samlede ladning pa begge sider af reaktionspilen: 5Fe 2+ + Mn04Ladning: +9

---'>

5Fe 3+ + Mn 2+ Ladning: +17

Da oplosningen er sur, skalladningerne afstemmes ved at tilfoje W. Der

,~i·tW

145

Redoxreaktioner

mangler 8 positive ladninger pa venstre side af reaktionspilen:

4. Der er nu 8 H pa venstre side og ingen pa hajre. H afstemmes ved at til faje 4 H20 pa hajre side:

5. Der er 4 O-atomer pa begge sider, og dermed er reaktionsskemaet afstemt. Hvis

ikke stemmer, er der begaet en fejl undervejs.

Opgave 117. Gar falgende reaktionsskemaer f<Erdige:

a) Cu + N03- --0> Cu 2+ + N0 2 (sur oplasning)

b) Fe 2+ + N0 3- --0> Fe 3+ + NO (sur oplasning)

c) H2S + N0 3d) Pb 2+ + (10-

soi- + NO

(sur oplasning)

Pb0 2 + (1- (basisk oplasning)

12 + Fe 2+ (sur oplasning)

f) Pb0 2 + (1- --c> Pb 2+ + CI 2 (sur oplasning)

g) 1- + Cr20/- --0> 12 + Cr 3+ (sur oplosning)

e) 1- + Fe 3+

.-'

--0>

+ 103-

--0>

12 (sur oplasning)

Redoxtitrering Som eksempeI ser vi pa en titrering med kaliumpermanganat (KMn04)' Oplosninger af dette stof har en kraftig mdviolet farve. Farven skyldes permanganationen (Mn04-)' Kaliumpermanganat kan f.eks. anvendes til titrering af oplosninger, der indeholder Fe z+: 8H+ + 5Fe z++ Mn0 4 -

--0>

5Fe 3+ + Mn z+ + 4H zO

nJdviolet

Man afmaler jern(II)oplosningen med pipette. Der tils<£ttes svovl syre for at gore oplosningen sur, hvorefter der tiIdryppes kalium permanganatoplosning fra burette. I starten forsvinder drabernes farve, sa snart de kommer ned i jern(II) oplosningen, idet Mn0 4 forbruges ved reaktionen, og reaktionsprodukterne er n<£sten farvelose. Nar <£kvivalenspunktet passeres, viI en enkelt drabe per manganatoplosning i overskud give oplosningen et svagt mdligt sk<£r, og det anvendes til at angive <£kvivalenspunktet. Opgave 118. 25,OmL jern(lI)oplasning forbruger ved titrering 16,5mL 0,0200 M KMn04' Beregn koncentrationen af Fe 2+ i jern(ll)oplasningen.

146

Kemikalier og sikkerhed Grrensevrerdier Organismen kan optage eventuelle sundhedsskadelige stoffer, som findes i den luft, vi indander. .10 mere luften indeholder af det skadelige stof, desto storre er risikoen for helbredsskader. Ud fra sundhedsmcessige overvejelser har Arbejdstilsynet fastsat grmnsevmrdier for luftens indhold af skadelige stoffer pa arbejds足 pladser. Tabel 24 viser et lille uddrag af Arbejdstilsynets liste. Grcensevcerdierne for gasser og for dampe af vcesker angives bade i ppm (efter volumen) og i mg stof pro m 3 luft. 1ppm svarer til1cm 3 (1 mL) pro m:' luft. label 24. Et lille uddrag

Stoffets navn

Grcensevcerdi (GV) ppm(vol) mg/m 3

Formel

af Arbejdstilsynets liste over grcensevcerdier. Grcensevcerdierne gcelder for luften pil arbejdspladser. Kilde: At-anvisning nr. 3.1.0.2, Arbejdstilsynet 1992.

Ammoniak

NH 3

Hydrogenchlorid

HCI

Hexan

C6H,4

180

Heptan

C7 H,6

400

1600

Benzen

C6H6

Trichlormethan (chloroform)

CHCl 3

1,1,1-Trichlorethan

CH 3 -CCI 3

Trichlorethen (trichlorethylen) CHCI=CCI 2 Ethanol

CH 3 -CH 2 OH

100

540

160

1000

1900

Anm.

Anmcerkningen H betyder, at stoffet kan optages gennem huden, mens L angiver, at der er tale om en loftvcerdi (se teksten).

,)'6.,.,

Grcensevcerdien angiver det hojst tilladte indhold af stoffet i luften pa en arbejdsplads. Dog tillades visse overskridelser af grcensevcer足 dien i korte tidsrum (hojst 15 min), men pa en 8 timers arbejdsdag rna et tidsvcegtet gennemsnitsindhold af stoffet ikke overskride grcensevcerdien. De tilladte kortvarige overskridelser afhcenger af grcensevcerdiens storrelse, se tabel 25. Som eksempel tager vi hexan, der har grcensevcerdien 50ppm. Ifolge tabel 25 rna indholdet af hexandampe komme op pa 1,5 gange grcensevcerdien, altsa 75ppm, men overskridelsen af grcensevcerdien rna kun yare 15 minutter. Grcensevcerdier, der er mcerket med L i Arbejdstilsynets liste, er

rPi

147

Kemikalier og sikkerhed

label 25. Tilladte kort varige overskridelser af griEnseviErdien (GV). Interval

GV~

Maksimalt indhold

3'GV

l<GV~ 10

2'GV

10<GV~ 100

100<GV~1000

l,5'GV l,25·GV

De anforte intervaller er i ppm for gasser og dampe, og i mg/m 3 for stov og mg.

loftvcerdier. En loftvrerdi rna ikke overskrides, selv ikke i kortere tidsrum. Grrensevrerdien for HCI er en loftvrerdi. Det skyldes nok, at HCI er en strerkt irriterende gas, som viI vrere meget generende i storre koncentrationer. Ved at lugte (jorsigtigt) til en flaske kon centreret saltsyre kan man nemt konstatere, at HCI er en meget ubehagelig gas at indande. I bestemmelserne om arbejdsmiljo grelder en regel, som kaldes substitutionsprincippet. Dette princip indebrerer, at en arbejdsgiver skat erstatte et farligt stof med et mindre farligt stof, hvis det er teknisk og okonomisk forsvarligt. Efterhanden er organiske op losningsmidler blevet erstattet af vandbaserede midler i mange arbejdsprocesser. Det gores naturligvis isrer for at forhindre de mange arbejdsbetingede hjerneskader, som skyldes brugen af or ganiske oplosningsmidler. I tabel 24 er der nrevnt tre chlorholdige oplosningsmidler. Tri chlormethan (chloroform) afvendes stort set ikke mere, hvorimod der stadig er et betydeligt forbrug af 1,1,1-trichlorethan, trichlor ethen og andre lignende chlorholdige oplosningsmidler. De chlor holdige oplosningsmidler anvendes bl.a. til kemisk tojrensning og som affedtningsmidler i metal- og elektronikindustrien. Listen over grrensevrerdier varsler nogle rend ringer, som kan forventes, nar listen skal revideres. I 1992-listen star der f.eks., at benzens grrensevrerdi overvejes rendret fra 5ppm til 0,1 ppm.

Opgave 119. Antag, at indholdet af ammoniak i luften er priEcis 25ppm (efter volumen). Temperaturen er 25°C og trykket 1,013 bar. a) Hvor stort et volumen NH 3 er der i 1m 3 luft? b) Anvend det fundne volumen NH 3 til at beregne stofmiEngden af NH 3 i 1m 3 luft. c) Beregn massen af denne stofmiEngde NH 3 og angiv luftens indhold af NH 3 udtrykt i mg NH 3 pr. m 3 luft. Sammenlign resultatet med tabel 24. (Arbejdstilsynet anvender tempera turen 25°C og trykket l,013bar (1 atm) ved omregning fra den ene enhed til den anden. Hvis man laver omregningen ved 20°C, passer resultatet i tabellen).

Opgave 120. Som niEvnt i kapitlet om syre-basereaktioner er kone. saltsyre en 36 masse% oplosning af HCI i vand med densiteten l,18g/mL. En elev spilder 10mL kone. saltsyre og torrer ikke op. Efter et stykke tid er vandet fordampet, og HCI er fordelt i luften i lokalet. Luftens volumen SiEttes til 200m 3 Overskrides griEnseviErdien for HCI?

"tfr.,',Hri"ti'frSfHefbbe·.

'r:'f¥t1tMhtz....

. . ' ({tee'

::tta.

148

Kemikalier og sikkerhed

Opgave 121. 5kriv stregformler for de organiske stoffer i tabel 24.

'god,;,

Opgave 122. Vi har beskaeftiget os med graensevaerdier for luftens indhold af skadelige stoffer pa arbejdspladser. Man har ogsa sat graensevaerdier for indholdet af en raekke skadelige stoffer i »almindelig« udend0rs luft. Disse graensevaerdier er meget lavere end de vaerdier, som gaelder pa arbejdsplad ser. F.eks. rna gennemsnitsindholdet af bly i luften ikke overskride 0,002 mg pro m 3 , mens man pa arbejdspladser har en graensevaerdi for bly pa 0,100mg pro m 3 . Hvorfor mon man i arbejdsmilj0et accepterer en vaerdi, som er 50 gange sa stor som den graensevaerdi, man har sat for almindelig udeluft?

Mrerkning af kemikalier Reglerne for mcerkning af kemikalier findes i Miljoministeriets »Liste over farlige stoffer«. Tabel 26 viser eksempler pa, hvordan man angiver mcerkningen af kemikalier. Der er anf0rt den eller de fareklasser, som stoffet er placeret i. Der er 9 fareklasser, se figur 100. Desuden angives numre pa de R-smtninger (risikoscetninger) og S-smtninger (sikkerhedsscetninger), som stoffet skal mcerkes med. Disse scetninger omtales senere. label 26. Eksempler

Fareklasse

R- og 5-saetninger

5toffets navn

Formel

Natrium

gaelder for det rene stof.

Natriumhydroxid

NaOH

Kilde: »Listen over far

Ammoniumchlorid

NH 4CI

Benzen

C6H6

Fog T

R45, R11, R48/23/24/25 553,516,529,544

Hexan

C6 H,4

R11, R48/20 59,516,524/25,529,551

Heptan

C7 H,6

R11, 59, 516, 523, 529, 533

1,1,1-Trichlorethan

CH 3 CCI 3

maerkning af kemikalier. Den anfmte maerkning

Fog C

lige stoffer« (Milj0mini steriets bekendtgmelse nr. 589 af 8. august 1991).

R14/15, R34, 55, 58, 543 R35, 52, 526, 537/39 R22, R36, 522

R20,524/25

Fareklasserne meget gijtig (Tx) , gijtig (T) og sundhedsskadelig (Xn) vedmrer stoffets akutte giftighed. Et stof kan komme ind i or ganismen ved indtagelse gennem munden, ved optagelse gennem huden eller ved indanding. Man maIer giftigheden ved dyrefors0g. Som regel anvendes rotter som fors0gsdyr. Vi ser pa et eksempel, som forklares ncermere nedenfor. Antag, at man ved testningen af et stof finder f0lgende vcerdier:

nh Itt L

. t l l t it

rx •

rrrrt''P'w,\.. en ttl

149

Kemikalier og sikkerhed

LDso = 300mg/kg

LDso = 500mg!kg

LC50 = 1,5mg/L

indtagelse gennem mund

optagelse gennem hud

indanding

LD betyder letal dosis, dvs. dedelig dosis. LDso er den dosis, som netop dneber 50% at rotterne. Dosis udtrykkes i mg at stoffet pro kg legemsvcegt, altsa mg stot pro kg rotte. Nar et stof testes for giftighed ved indanding, skal rotterne ind ande luft med dampe at stoffet i 4 timer. LC betyder leta I koncentra tion. LCso er det indhold af stoffet i luften, som netop bevirker, at 50% af rotterne der i de efterfelgende 14 dage. LC50 angives i mg stot pro liter luft. Pa grundlag at forsegsresultaterne finder man ud af, hvilken fareklasse stoffet skal placeres i. Intervallerne for de forskellige fareklasser ses i tabel 27 pa meste side. Stoffet i vores eksempel er i fareklasse Xn (sundhedsskadelig) med hensyn til indtagelse gen-

Figur 100. Farlige kemi-

kalier inddeles i ni fare

klasser med tilhorende faresymboler. Faresymbolerne skal vaere sorte

pa orange bund. Megel giflig

Giftig

Sundhedsskadelig

t::;4

.&.~ lEtsende

Eksplosiv

Lokalirriterende

Yderst brandfarlig

Meget brandfarlig

Brandncerende

" #f't~"."t

fIt)"

11;,1#&&",:1 ,'.' g·f;r'$)f6tt··,id

150

Kemikalier og sikkerhed

nem mund etter optagelse gennem· huden, men i fareklasse T (giftig) med hensyn til indanding. Da man skal v;:elge den strenge ste klassificering, skal det pag;:eldende stof placeres i fareklasse T. label 27. Inddelingen i fareklasser for akut giftighed.

Fareklasse

Tx T Xn

::}Ii••.

Indtagelse gennem mund (mg pro kg rotte)

LO so ~ 25 25 < LO so ~ 200 200 < LD so ~ 2000

Optagelse gennem hud (mg pro kg rotte) LDso~

50 < LD so ~ 400 400 < LD so ~ 2000

Indanding (mg pr, L luft)

LCso ~ 0,5 0,5 < LCso ~ 2 2 < LCso ~ 20

Fareklasseme mtsende (C) og lokalirriterende (Xi) vedrorer stof fets virkning pa levende v;:ev. Et stof skal i fareklasse C, hvis det odel;:egger levende v;:ev, som kommer i beroring med stoffel. Stof fet skal i fareklasse Xi, hvis det uden at virke ;:etsende kan fremkalde en bet;:endelse ved direkte, langvarig eller gentagen beroring med huden eller slimhinden. Et stof klasifificeres som eksplosivt (E), hvis det kan bringes til at eksplodere ved kontakt med ild, eller hvis det er mere stodfolsomt end dinitrobenzen. Et stof klasificeres som brandnmrende (0), hvis det ved kontakt med andre stoffer, is;:er brandbare stoffer, kan reagere under stor energiafgivelse. Et v;:eske er yderst brandjarlig (Fx) hvis dens sakaldte /lamme punkt er under O°C og dens kogepunkt under 35°C. Flammepunk tet er den laveste temperatur, hvor v;:eskens overflade kan an t;:endes. Flammepunktet bestemmes med et specielt apparat under veldefinerede omstcendigheder.

Benzen t.

M = 78,11 g/mol

p = 0,88g/mL

Kan fremkalde kra:!ft Meget brandfarlig Giftig: alvorlig sundhedsfare ved Ia:!ngere tids pavirk Megel br<lIlc1farlig

Figur 101. Etiketten pa

en flaske benzen kan se sadan ud (importorens eller producentens navn og adresse skal ogsa anfores).

ning ved indanding, hudkontakt og indtagelse Undga enhver kontakt - indhent sa:!rlige anvisninger

~ Giftig

.....,'IslftWhr ,rv"

for brug Holdes viEk fra antiEndelseskilder - Rygning forbudt Ma ikke kommes i kloakaflob Ved ildebefindende kontakt liEge; vis etiketten, hvis det er muligt

rVSI:l:rtrt:r::,nm . r,mn t

r SraTU)

'.~

.. :I

151

Kemikalier og sikkerhed

Mange forskellige typer stoffer skal placeres i fareklassen meget brandfarlig (F). Det kan f.eks. vcere et metalpulver, som kan bryde i brand ved kontakt med luftens oxygen, eller det kan vcere et stof, som danner en brcendbar gas, hvis stoffet bliver fugtigt. Vcesker med flammepunkt under 21°C skal ogsa i denne fareklasse. En kemikaliebeholder skal naturligvis ogsa forsynes med en etiket med stoffets navn. Desuden skal beholderen mcerkes med de risiko- og sikkerhedssmtninger (R- og S-scetninger), som er anfert for det pagceldende stof i Listen over farlige stoffer. Samtlige R- og S-scetninger findes pa side 182-183. Som eksempel kan vi se pa benzen, der skal mcerkes som vist pa figur 101. Det er tankevcek kende, at benzen (stenkulsnafta) fer i tiden var et meget brugt plet rensningsmiddel i husholdningen. Det skal bemcerkes at sikkerhedsscetningen S2 skal anferes pa alle farlige stoffer og produkler, som er beregnet til privat brug. Der er scerlige regler for mcerkninger af blandinger. Tabel 28 viser, at mcerkningen bliver »mildere«, nar koncentrationen af det farlige stof bliver mindre. label 28. Mrerkning at

Eksempel

Fareklasse

R- og S-sretninger

svovlsyreoplosninger. IBM H2 S0 4 (kone. svovlsyre)

R35, S26,S30

1M H2 SO 4

R36/38, S26

0,1 M H2 SO 4

Ingen

Den overste mrerkning anvendes pa oplosninger, der indeholder

mere end 15 masse% svovlsyre. Den midterste mrerkning anvendes,

hvis svovlsyreindholdet ligger mellem 5 masse% og 15 masse%.

Opgave 123. Som omtalt er sretningerne delt op i to grupper, nemlig R-sret ninger og S-sretninger. Forklar forskellen pa disse to grupper.

Opgave 124. Nogle R-sretninger er mere frygtindgydende end andre. Sam

menlign f.eks. R20, R23 og R26.

Ga samtlige R-sretninger igennem og udvrelg de fem sretninger, som umid delbart virker mest skrremmende. De fem udvalgte R-sretninger rangordnes, sa den »vrerste« placeres overst osv.

Opgave 125. Forklar, hvorfor natrium skal mrerkes som angivet i tabel 26.

Opgave 126. Ammoniumchlorid (salmiak) anvendes som tilsretningsstof til slik. Kommenter mrerkningen af stoffet (se tabel 26).

~II

152

Kemikalier og sikkerhed

(Reg Ierne for arivendelse af tilsiEtningsstoffer i levnedsmidler findes i "Posi tivlisten« (Levnedsmiddelstyrelsen). Der ma tilscettes 100g ammoniumchlorid pro kg slik).

Opgave 127. Kontroller, at etiketten pa figur 101 er korrekt udfyldt.

Opgave 128. Hvordan skal "fortyndet svovlsyre« (2 M H2 S0 4 ) mcerkes?

(Reg Ierne star under tabel 28; oplosningens densitet er 1.12 g/mL).

Opgave 129. Kontroller, at mcerkningen er korrekt pa figur 25 side 41.

Kemikalieaffald Her i landet skal alt olie- og kemikalieaffald opsamles og afleveres til behandling pa Kommunekemi i Nyborg (figur 102). Mfaldet kan dog ogsa underkastes en anden godkendt behandling. Eeks. er der virksomheder, som renser brugte oplosningsmidler med henblik pa genanvendelse. Mfaldet fra husholdninger og mindre virksomheder afleveres pa den lokale kommunes modtageplads for kemikalieaffald. Herfra sendes det videre til behandling pa Kommunekemi. Storre virk somheder afleverer direkte til Kommunekemi. Pa Kommunekemi renses en del olieaffald med henblik pa brug som br<endselsolie. Andet organisk affald afbr<endes i et stort for br<endingsanl<eg ved 1300°C. Denne hoje temperatur sikrer en

Figur 102. Kommune kem i blev indviet i 1971. AnliEgget er udvidet flere gange siden. Kom munekemi er et kommu nalt ejet aktieselskab med Kommunernes Landsforening som hovedaktioniEr.

ttx f

tiN

t ttnrturrrn

'2m' 'r1'! t .it

'.m

imt 17m

153

Kemikalier og sikkerhed

fuldstc£ndig forbrc£nding til carbondioxid og vanddamp. Desuden dannes der mindre mc£ngder »sure« gasser som Leks. Hel og 502' De fjernes ved en rogrensning. Uorganisk affald kan ikke destrueres ved forbrc£nding. Man kan nemlig ikke omdanne metalsalte til gasformige, uskadelige stoffer. Fast uorganisk affald sorteres, og det kviksolvholdige affald depo neres. Uorganiske oplosninger renses ved fc£ldning med hydroxid ioner. Herved udfc£ldes de metalioner, som danner tungloploselige hydroxider, f.eks.:

Man far udfc£ldet et bundfald, som indeholder hydroxiderne af jern, zink, bly, kobber, chrom, nikkel m.m. Metalhydroxiderne af vandes i en sakaldt filterpresse, og de afvandede filterkager depo neres under kontrollerede forhold pa en losseplads.

Opgave 130. Som tidligere naevnt bruges l,l,l-trichlorethan som oplos

ningsmiddel. Kommunekemi modtager en del affald, som indeholder dette stof. Skriv et afstemt reaktionsskema for forbraendingen af 1,1, 1-trichlor ethan (ved forbraendingen omdannes chlorindholdet til HCI).

Opgave 131. Fra metalvirksomheder modtager Kommunekemi surt spilde

vand, som indeholder dichromationer (Cr20l-). Forste trin i behandlingen af dette spildevand er en reduktion af dichromationerne til chrom(lll)ioner. Det kan f.eks. gores med svovldioxid. Afstem reaktionsskemaet: Cr20l- + S02

--')0

Cr 3 + + SO/-

(sur oplosning)

Derefter gennemfores udfaeldningen af metalhydroxider. Skriv ionreaktions skemaet for faeldningen af chrom(llI)hydroxid.

Opgave 132. Kommunekemi modtager en del basisk cyanidholdigt spilde

vand, isaer fra den galvaniske industri. Cyanidionen (CW) er meget giftig, og desuden binder cyanidionerne sig til metalionerne i oplosningen, hvorved udfaeldningen af metalhydroxiderne hindres. Ved behandlingen af dette affald ma man derfor forst fjerne cyanidionerne. Cyanidionerne kan fjernes ved reaktion med hypochloritioner (CIO-) i svagt basisk oplosning. Reaktionen har folgende grundelementer: CW + (10-

--')0

HC03 - + N2 + CI

Da N er mere elektronegativ end C, er det rimeligt at tildele N oxidationstal

•

let -III i cyanidionen. PrrlJV at afstemme reaktionsskemaet (det er noget svae rere end afstemningerne i kapitlet om redoxreaktioner).

r'tnfl##'t 'n

til

mttsrCI' ,

154

Forsuring 'J!"

Vands kredslob. Sur regn Figur 103 viser vands kredslob i naturen. Der fordamper hele tiden vand. Fordampningen er naturligvis storst fra vandoverflader, dvs. fra havet og fra soer, men der fordamper ogsa vand fra jordover £laden. Desuden er der en betydelig fordampning fra planternes blade. Vanddampens gennemsnitslevetid er ca. 1 uge, inden den falder ned som nedbor. Over havet er der et /ordampningsoverskud, dvs. pa arsbasis fordamper der mere vand fra havover£laden end havets over£lade far tilfort som nedbor. Figur 103. Vands kreds

10b. De lodrette pile viser fordampningen. Grund vandet bevceger sig

meget langsomt mod havet.

fordampning

Til gengc£ld er der et nedbersoverskud over landjorden, dvs. ned boren er storre end fordampningen. Den overskydende ffic£ngde vand skal tilbage til havet, sa kredslobet er sluttet. I perioder med kraftig regn eIler ved tobrud kan vandet lobe langs jordover£laden direkte ud i soer og vandlub. Under normale forhold siver nedborsoverskuddet ned gennem de 0verste jordlag og bliver til grundvand. I grundvandszonen er aIle sprc£kker og hulrum fyldt med vand. En mindre del af grundvandet pumpes op • og anvendes til drikkevand og til markvanding. Grundvandet strom mer meget langsomt ud mod havet. Det kan

fokh ..

.wnw.',·

,·,bit::

155

Forsuring

va:re flere tusind ar undervejs. Det er dog va:rd at na:vne, at grundvandszonen afgiver vand til soer og vandlob, dvs. at en del af vandet fores relativt hurtigt ud til havet. Det folger af denne gennemgang, at regn er en form for destil Ieret vand, men regnvand er langt fra sa rent sam vand, der er destilleret i et destillationsanla:g. Regndraberne er nemlig i na:r kontakt med den omgivende luft, og de kan optage forskellige stof fer fra luften. De vigtigste bestanddele af atmosfa:risk luft ses i tabel29. Man kunne tro, at uforurenet regnvand havde en pH-va:rdi pa 7, men det er ikke tilfa:ldet. Regndraberne optager CO 2 fra luften, og i vandig oplosning omdannes carbondioxid delvist til kulsyre:

label 29. Sammenscet ningen af tor atmos fcerisk luft. Stof

Indhold i vol%

Nitrogen N2

78,08

Oxygen °2

20,95

Argon

0,93

Carbon dioxid

CO 2

0,036

Neon

0,0018

Helium

0,0005

Kulsyre er en svag syre, som bevirker, at uforurenet regnvand har en pH-va:rdi pa 5,6. »Naturligt« regnvand er altsa svagt surt. Ind holdet af kulsyre i regnvandet er helt uskadeligt. Sur regn (»syreregn«) er regnvand med en pH-va:rdi under 5,6. En pH-vcerdi pa 4,3 angives som en typisk pH-va:rdi for dansk regnvand, og i sta:rkt forurenede omdider, Leks. Ruhr-distriktet, er regnvandets pH under 4. Foruden gasserne i tabel 29 har luften omkring os et lille, varia belt indhold af forskellige forureningsbestanddele. Vi skal inter essere as for luftens indhold af stoffer, som gor regnvandet surt. Det drejer sig isa:r om folgende stoffer: S02

S03

N0 2

svovldioxid

svovltrioxid

nitrogenoxid

nitrogendioxid

Ved reaktioner i atmosfceren omdannes svovloxiderne til svovlsyre og nitrogenoxiderne til salpetersyre. Syrerne oploses i regnvandet. Bade svovlsyre og salpetersyre er sta:rke syrer, som kan give regn vandet en ret lay pH-vcerdi, selv om syrekoncentrationen ikke er sa stor. Det er na:vnt, at 4,3 er en typisk pH-va:rdi for dansk regnvand. Lokalt kan man dog male en va:sentligt hojere pH-va:rdi. Det kan ske, hvis luften har et stort ammoniakindhold. Ammoniak er en base, som kan »neutralisere« regnvandets syreindhold: NH 3 + H30+

---?

NH 4++ H20

Ammoniak afgives fra landbrugsjord. Specielt er der en stor ammo niakafgivelse lige efter at der er kort gylle ud.

t "tit#' . . ...

eft

156

Forsuring

Opgave 133. Som naevnt har »naturligt« regnvand en pH-vaerdi pi! 5,6.

a) Beregn [H 3 0+j i naturligt regnvand.

b) Beregn [H 3 0+] i regnvand med pH

= 4,3.

c) Hvor mange gange st0rre bliver [H 3 0+j. nar pH saenkes fra 5,6 til 4,37

Opgave 134. En staerk syre kan give en ret lav pH-vaerdi, selv om syrekon

centrationen ikke er sa stor. Pmv at illustrere denne pastand ved at beregne

pH-vaerdien for 1,2 .1O- 4 M HN0 3 .

Svovl og svovlforbindelser Forsuringen skyldes som ncevnt luftforureningen med oxider af svovl og nitrogen. Inden vi ser ncermere pa miljoproblemerne, rna vi lcere noget mere om svovl- og nitrogenforbindelsernes kemi. Som anfort i tabel 4 side 26 udgor svovl 0,048 masse% af den tilgcengelige del af jordkloden. Flere steder i verden er der betyde lige forekomster af frit svovl, men det meste svovl findes bundet i kemiske forbindelser. Der er tale om sulfider og sulfater af forskel lige metaller, og desuden findes svovl bundet i organiske forbindel ser, f.eks. indeholder proteiner svovl. Det har scerlig betydning, at de vigtigste energin\stoffer (kulog olie) indeholder svovlforbindelser. Man fremstiller svovl ved af svovling af olie, se side 168. I nogle lande er der ogsa en betydelig svovlproduktion ved afsvovling af naturgas. Svovlindholdet i natur gas findes som hydrogensulfid (H 2S). Heldigvis er svovlindholdet i den danske naturgas meget lavt. Svovl er ved stuetemperatur et gult, krystallinsk stof, som bestar af Sg-molekyler (se side 71). Nar man skriver reaktionsskemaer for reaktioner med svovl, nojes man som regel med at skrive S i stedet for Sg. Ved hoj temperatur kan svovl bringes til at reagere med de fleste metaller, Leks.: ,Tf~','T''':>1

Fe + S

-->

FeS

En forbindelse mellem svovl og et metal er en ionforbindelse, der bestar af metalioner og sulfidioner (S2-). Hvis elektronegativitets forskellen mellem metallet og svovl er ret lille, far bindingen dog nogen kovalent karakter. Mange metalsulfider er ekstremt tungtoploselige i vand. Det gcelder f.eks. eus, PbS og Ag2S, Disse tre sulfider er sorte. Na2S og K2S er farvelose, letoploselige stoffer.

•

157

Forsuring

: I forbindelser melTem svovl og et ikke-metal holdes atomerne sammen med kovalente bindinger. Et eksempel er hydrogensulfid, H2S. Det er en meget ildelugtende, giftig gas. Den dannes i na turen ved forradnelse af organiske svovlforbindelser. Man plejer at sige, at hydrogensulfid lugter som radne c£g. Svovlsyre er et af de vigtigste stoffer i den kemiske industri. Det meste af verdens svovlsyreproduktion er baseret pa svovl som ud gangsstof. Omdannelsen af svovl til svovlsyre sker i tre trin:

i'rt\ (.,:,

t!";'

•

2S0 2 + O2

2S0;>

S03 + H20

H2S0 4

'!'-,"'r'-"

Forst brc£nder man svovlet, hvorved der dannes S02' Forbrc£n dingstemperaturen er ca. 1100°C. Omdannelsen af S02 til SO;> sker ved noget lavere temperatur (4-500°C). Man far denne reaktion til at forlobe ved at anvende en katalysator. En katalysator er et stof. som oger reaktionshastighe den for en kemisk reaktion uden selv at forbruges. Idette tilfc£lde bruger man vanadium(V)oxid (»vanadiumpentaoxid«, V20 5 ) som katalysator. S02 omdannes nc£sten fuldstc£ndigt til S03' Fremstillingen af svovlsyre afsluttes ved at svovltrioxid reagerer med vand. Her i landet produeeres svovlsyre af Kemira Danmark i Frede ricia. Desuden produeeres der svovlsyre ved rogrensning, se side 172. Svovlsyre bruges i mange kemiske produktionsproeesser. F.eks. anvender man store mc£ngder svovlsyre, nar man produce rer phosphatholdige kunstgodninger. Det danske forbrug at svovl syre Jigger pa ca. 150000 ton pro ar. Svovlsyre forhandles som koneentreret svovlsyre, der indehol der 96 masse% H2S0 4, Som tidJigere omtalt reagerer kone. svovl syre sc£rdeles voldsomt med vand: H2S0 4 + H20

---->

HS0 4- + H;>O+

HS0 4- + H20

S042 - + H30+

Salte af svovlsyre indeholder sulfationer (SO/-) eller hydrogensul fationer (HSO4-), f.eks.: Na2S04

NaHS0 4

natriumsulfat

natriumhydrogensulfat

De fleste sulfater er letoploselige i vand. BaS04 og PbS0 4 er ek sempler pa tungtoploseJige sulfater.

,jiaJc!.,;..

158

Forsuring

Som nrevnt under svovlsyreproduktionen dannes der svovl dioxid, nar svovl brrender. Der dannes ogsa svovldioxid, nar svovl forbindelser brrender. Svovldioxid er en gas med en ubehageligt stikkende lugt. Man kan mrerke lugten, nar man trender en trend stik og er uheldig at fa mgen op i nresen. Svovldioxid anvendes til blegning og desinfektion og som konserveringsmiddel, f.eks. i yin. Svovldioxid er op10selig i vand. I den vandige op10sning er der sket en delvis omdannelse til svovlsyrling: S02 + H 20

H 2S0 3

svovlsyrling

Svovlsyrling er en ustabil syre, som kun eksisterer i vandig op10s ning. Det er en diprot syre: H 2S0 3 + H 20

HS0 3- + H 30+

HS0 3- + H 20 ~ S032 - + H30+ Som sredvanlig angiver harpunerne i reaktionsskemaerne, at reak tionerne kun forl0ber delvist, fordi der indstiller sig en ligevregt. En op10sning af svovldioxid i vand indeholder bade S02, H 2S0 3, HS0 3- og S03 2- samt H30+ (og vandmolekyler). Salte af svovlsyrling indeholder sulfitioner (5°3 2-) eller hydro gensulfitioner (HS0 3-), f.eks.: Na2S03

NaHS0 3

natriumsulfit

natriumhydrogensulfit

Opgave 135. Skriv formler for folgende salte: Bariumsulfid. calcium hydro gensulfat. kaliumhydrogensulfit, ammoniumsulfid og aluminiumsulfat.

Opgave 136. Man har en oplosning af kobber(ll)chlorid og en oplosning af natriumsulfid. Hvad sker der, nar man hcelder de to oplosninger sam men?

Opgave 137. 5vovldioxid oxideres let. Afstem redoxreaktionsskemaet: 50 2 + el 2

---'>

50/- + el-

(sur oplosning)

Nitrogen og nitrogenforbindelser Nitrogen (kvrelstof) findes frit i atmosfreren som N2 -molekyler. Nitrogen udg0r 78,08 vol% af atmosfrerisk luft. AIle levende orga nismer indeholder organiske nitrogenforbindelser i form af pro teiner og nucleinsyrer (DNA og RNA). Man finder ogsa uorga

,.".,,,,,,"-'\

ft'eridwS·

Forsuring

159

niske nitrogenforbindelser i naturen. Som eksempel kan nrevnes chilesalpeter (NaN 0 3 ), Hvis man afkoler atmosfrerisk luft ned til temperaturer i nrer heden af -200 o e, fortrettes luften til »flydende luft«. Ved de stillation at flydende luft far man skilt luften i dens bestanddele. Pa den made fremstiller man rent Nz (samt O2 og Ar). I N[molekylet er de to atomer bundet sammen med en tripel binding:

'I. "

De to atomer hrenger srerdeles godt sammen, og det forklarer, at N2 er meget lidt reaktionsdygtigt. Nitrogen kan dog bringes til at reagere med hydrogen:

Denne reaktion anvendes til fremstilling at ammoniak, som er et srerdeles vigtigt stof i den kemiske industri. Reaktionen gennem fores ved at lede en blanding at hydrogen og nitrogen hen gennem en katalysatormasse. Temperaturen under reaktionen holdes pa ca. 450 o e, og der anvendes forhojet tryk (Leks. 140bar). Ammoniak er en gas ved stuetemperatur og atmosfreretryk. Kogepunktet er -33°e ved trykket 1,013bar (latm). Ammoniak kan opbevares pa flydende form i trykbeholdere, hvor der er et overtryk pa nogle fa bar. Flydende ammoniak anvendes som kunst godning. Desuden anvendes ammoniak som udgangsstof ved fremstilling at andre nitrogenforbindelser. Vi skal se nrermere pa fremstil lingen at salpetersyre. Omdannelsen at ammoniak til salpetersyre starter med en for brrending med platin sam katalysator:

NH.(Clfj)

Figur 104. Man kan demonstrere ammoniak forbrcendingen ved at fore en glodende platin trad ned i en kolbe med lidt kone. ammoniak vand.

Pa figur 104 ses et simpelt demonstrationsfors0g, som viser reak tionen. Ved forsoget ser man tydeligt, at reaktionen er exoterm. Industrielt laver man reaktionen ved at lede en blanding at ammoniak og luft ned gennem en kegleformet ammoniakforbrren dingsovn (figur 105 og 106 pa nreste side). Midt i ovnen passerer gasstrommen nogle fintmaskede net af platin. Reaktionen sker pa platinoverfladen. Reaktionstemperaturen er ca. 900 o e, og platin nettene er glodende. Varmeafgivelsen fra reaktionen kan udnyttes som fjernvarme. Man anvender overskud at oxygen (Iuft) ved ammoniakfor

160

Forsuring

Figur 105. En ammo

NH3 + luff

----;>

niak-forbrCl2ndingsovn. Midt i ovnen passerer gasstmmmen flere net af platin, som hver har et areal pa ca. 10m 2 .

brrendingen, og ved afkelingen efter forbrrendingen oxideres NO gradvist videre til N0 2: 2NO + O2

2N0 2

Fremstillingen af salpetersyre slutter med, at N0 2 bringes til at reagere med vand:

Hvis man serger for, at der er oxygen til stede, kan det dannede NO omdannes til N0 2, som sa ved reaktion med vand kan danne mere salpetersyre osv. Tilbage bliver en meget lille rest af NO, som ledes ud gennem fabrikkens skorsten. Vi importerer hele vores forbrug af ammoniak. Der er en dansk produktion af salpetersyre, nemlig pa Kemira Danmarks anlreg i Fredericia. Den danske produktion af salpetersyre anvendes til fremstilling af kunstgodning, mens en betydelig del af ver

Figur 106. Ammoniak forbrCl2ndingsovne. De fortsCl2tter ned gennem gulvet, sa den nederste del af ovnene befinder sig pa etagen neden under.

.. _. . ;·,m%wrnrltSr'P' 1:1 nf:$'tsnl,n rfWmrrt-'lnrrr

,;:

.......... ("

161

Forsuring

densproduktionen anvendes til rremsti11ing af sprcengstoffer (tro tyl, nitroglycerin, ammoniumnitrat m.m.). Som bekendt er salpetersyre en stcerk syre, der reagerer sa godt som fuldstcendigt med vand:

Nitrationen virker oxiderende i sur oplosning, og derfor kaldes sal petersyre en oxiderende syre. Eeks. kan salpetersyre oxidere kob ber. Nitrationen reduceres til NO eller NO z: 3Cu + 2N0 3- + 8W Cu + 2N0 3- + 4W

---'?

3Cu 2+ + 2NO + 4Hi)

&"1

Cu2+ + 2N0 2 + 2H 20

NO er en farvel0s gas, som er tungtapl0selig i vand, hvorimod N0 2 er en brun gas, som er letoploselig i vand. Sam omtalt ved gennem gangen af salpetersyreproduktionen reagerer NO z med vand. Figur 107 viser et demonstrationsfors0g. Ved fors0get opsamles NO i et stort cylinderglas. Hvis man derefter forsigtigt tilleder oxy gen i smaportioner og mellem tilledningerne bringer det dannede NO z i opl0sning, kan man fa cylinderglasset helt fyldt med vand igen. Derefter kan man male opl0sningens pH. Figur 107. Man kan fremstille NO og N0 2 ved at tildryppe 8M HN0 3 til kobberspaner. NO opsam les i et cylinderglas (N0 2 oploses i vandet).

Cu Salpetersyrling har formlen HNO z. Det er en ustabil, svag syre, sam kun eksisterer i fortyndet vandig apl0sning. Salle af sal petersyrling indeholder nitritionen (NO z-). Som eksempel kan ncevnes natriumnitrit (NaNO z), der anvendes som tilscetningsstof til ptHcegsvarer, bacon m.m. Denne tilscetning af »nitrit« er meget omdiskuteret. Tilscetningen sker for at hcemme vceksten af de bak terier, som forarsager botulisme (p0lseforgiftning).

'Iffl/zji"t

162

Forsuring

Emission af svovldioxid og nitrogenoxider Vi skaffer os energi ved at forbrc£nde kul, oUe, benzin, naturgas m.m. Ved forbrc£ndingen dannes der en vis mc£ngde SOz og NO samt lidt NO z. Disse stoffer sendes ud i atmosfc£ren, hvor der kan ske f0lgende omdannelser: SOz NO

---7

S03

---7

H zS0 4

NO z

---7

HN0 3

De kemiske forhold i atmosfc£ren er meget komplicerede. Vi vil imidlertid n0jes med at forestille os, at der er tale om simple reak tioner med oxygen og vand, jc£vnf0r den industrielle produktion af svovlsyre og salpetersyre. De to syrer vender tilbage til jordoverfladen opl0st i regnvandet (»syreregn«), se figur 108. Som figuren viser, kan der ogsa vc£re tale om en direkte afsc£tning af oxider. I fugtigt vejr viI der vc£re en tynd hinde af vand pa faste genstandes overflade, og i dette tynde vandlag kan der opl0ses SOz og NO z. Figur 108. Princippet i dannelsen af syreregn. Syreregnen kan godt falde ned meget langt fra den skorsten, som har sendt 50 2 og NO ud i luften.

Efter udslippet fra skorstenen gar der typisk nogle dage, inden stofferne vender tilbage til jordoverfladen. Det betyder, at luftfor ureningen med svovldioxid og nitrogenoxider er et internationalt problem. Meget af den syreregn, som forsurer de svenske og nor ske S0er, skyldes svovldioxid og nitrogenoxider fra England og Tyskland. En del stammer fra Danmark. Vi er nettoeksport0r af denne form for luftforurening. Vi skal senere omtale forureningens skadevirkninger. Pa nu vc£rende tidspunkt koncentrerer vi os om dannelsen af svovldioxid og nitrogenoxider. Figur 109 viser emissionen (udslippet) af svovldioxid og nitro

.nffdtnrt .

'JeT

rnmWtrtm*cwtrtrfrUSm:; r

rr$T'"rrt1'

163

Forsuring

Figur 109. Emissionen af 50 2 og NO, fra danske

1OOOfof/S

Emission i 1985

200

kilder i 1985. 5iden den

SO,

NOx (of/givef sam NO,I

gang er kraftvcerkernes emission af 50 2 formind sket betydeligt.

100

Kilde: Forsuringsprojek tet: Emissionsbegroens ning (Milj0styrelsen).

industri

kroffvtErker

f)ernvarme

vi!lofy" mm.

frafik

genoxider fra danske kilder. Da NO let omdannes til N0 2, omtales de to nitrogenoxider under et som NO x. Ved mrengdeangivelser trenker man sig, at alt NO er omdannet til N0 2. Man ser pa figuren, at kraftvrerkerne er den dominerende kilde. Desuden har tratikken vresentlig betydning for omfanget af NOx-forureningen. Det er vrerd at bemrerke, at tallene pa fIgur 109 stammer ira 1985, hvor man endnu ikke for alvor var begyndt at begrrense emissionen at S02 og NO x. Siden da er isrer kraftvrerkernes emis sion af S02 begrrenset meget vresentligt. If0lge en loy fra 1989 skal kraftvrerkernes emission af bade S02 og NO x i ar 2005 vrere mere end halveret i forhold til emissionen i 1980. Figur 110 viser, at det i de senere ar er lykkedes at formindske den samlede danske emission at S02' Desvrerre er der endnu ikke sket en tilsvarende formindskelse af NOx-emissionen.

Figur 110. Udviklingen i den danske emission af 502' Formindskelsen af emissionen i 1980erne skyldes iscer brug af broendsler med et min dre svovlindhold.

200

5tigningen i 1991 skyldes en ekstraordinoer

100

eleksport til 5verige. Kilde: Milj0indikatorer

1993, Milj0ministeriet.

Kul, brrendselsolier og dieselolie indeholder svovlforbindelser. Emissionen af S02 skyldes brugen at disse svovlholdige brrends

.w,r,tMr',

tarts (·'ItSWhte·

~. 'i~'.

164

Forsuring

Figur 111. Kul har ikke nogen helt veldefineret kemisk opbygning, men det viste formeludsnit menes at give et godt billede af kuls kemiske struktur.

ler. Der dannes SO:! bade ved forbrcending af organiske og uor ganiske svovlforbindelser, f.eks.: Cl:JH27SH + 21 O2 4FeS2 + 11 O2

13C0 2 + 14H20 + S02

2Fe:!03 + 8S0 2

C13H:!7SH er et eksempel pa en mulig svovlforbindelse i dieselolie og brcendselsolie, mens FeS:! (»pyrit«) findes i kul. Desuden inde holder kul organisk bundet svovl. Da kul er det dominerende brcendsel pa kraftvcerkerne, viI vi se lidt ncermere pa kuls opbygning. Kul rna ikke forveksles med grundstoffet carbon (kulstof). Kul er en mark, brcendbar bjergart dannet ved sammentrykning af dade plantedele. Kul har ikke no gen veldefineret opbygning. Strukturen pa figur 111 anses for at vcere typisk for den kemiske opbygning af kul. Bemcerk indholdet af kemisk bundet svovl og nitrogen. Desuden indeholder kul uor ganiske forbindelser, herunder som ncevnt FeS:!. Det skal ogsa be mcerkes, at der er et vist indhold af chlorforbindelser i kul. Figur 112 viser den sakaldte emissionsfaktor for forskellige brcendsler. Emissionsfaktoren er forholdet mellem emissionen og den »producerede« energimcengde. Den angives i milligram SOz eller NO z pro megajoule produceret energi. Emissionsfaktoren for SO:! afhcenger naturligvis af bnendslets svovlindhold. Kul og tung brcendselsolie har en meget starre S02-emissionsfaktor end let brcendselsolie. Det er en falge af, at man tillader et meget starre svovlindhold i kul og i tung brceridsels olie end i let brcendselsolie. Tung brcendselsolie anvendes af kraft

;1f' .ttn ( irE', 'it; , tim :

uD ren

nil

"t11tl

165

Forsuring

v32rker, fjernvarmev32rker og andre sterre fyringsanl32g, mens let br32ndselsolie (»fyringsolie«) anvendes i oliefyr i villaer. Kul og olie indeholder nitrogenforbindelser. Nitrogenindholdet udgor typisk 1% (masse%) for bade kul og olie. Dette kemisk bundne nitrogen i br<endslet kan ved forbr32ndingen blive til enten N2 eller NO. I oxygenfattigt milje (underskud af forbr<endingsluft) dannes der overvejende N2, mens NO iS32r dannes i oxygenrigt miljo. Den NO, som dannes ud ira br32ndslets indhold af nilrogen forbindelser, kaldes br32ndsels-NO x'

: {''I'.:

Em/ssionsfaldor

Figur 112. Emissions

br~ndsler. afh~nger

Emissionen

0502

faktorer for forskellige

mNO" (C1ngivet sam N0

fOOD

br~ndslets

indhold af svovl- og nitrogenforbindelser og af fyringsmaden (dannelsen af NO x)'

500

Kilde: Som figur 109.

k(ll

f(lng brl2nd selsalie •

kroffvfErker

trofik

Desuden dannes der NO ved en reaktion mellem forbr32ndings luftens indhold at nitrogen og oxygen: Nz + O2

2NO

NO dannet pa denne made kaldes termisk-NO x. Termisk-NO x dan nes ved aIle forbr32ndinger, hvor temperaturen er over 1200°C. Kun lidt at luftens indhold af N2 og O2 omdannes til NO. Jo hojere forbr32ndingstemperatur, desto mere N2 og O2 omdannes til NO. Pa figur 112 bem32rker man den store NOx-emmissionsfaktor for benzin. Den skyldes den hoje forbr32ndingstemperatur i en benzinmotor. Da indholdet af nitrogenforbindelser i benzin er ube tydeligt, er der udelukkende tale om termisk-NO x • Opgave 138. Olie indeholder bl.a. nitrogenforbindelsen indol, der har molekylformlen CSH7 N. Ved en nitrogen som

It'P'reiMer" r . Nt ';''*1'" ~''')

n~vnt

forbr~nding

blive til N2 eller NO.

kan det kemisk bundne

166

Forsuring

a) Skrivet afstemt reaktionsskema for en forbr<Ending af indoI, hvor stoffet omdannes fuldst<Endigt til COb H2 0 og N2 . b) Skriv et afstemt reaktionsskema for en forbr<Ending af indol, hvor stoffet omdannes fuldst<Endigt til CO 2 , H2 0 og NO.

Begrrensning af S02-emissionen Som omtaIt dannes S02 ved forbrCI'nding af svovlholdige brCI'nds ler. Man har folgende muligheder for at formindske udslippet af S02: 'Aid

1. Man kan ga over til at bruge et brCI'ndsel, som fra naturens hand har et lavere svovlindhold. 2. Man kan formindske brCI'ndslets svovlindhold inden forbrCI'n dingen (afsvovle brCI'ndslet). 3. Man kan rense mgen e/ter forbrCI'ndingen.

Vi ser forst pa kul som brCI'ndsel. Kul anvendes iSCI'r pa kraftvCI'r kerne. Man kan kobe svovlfattige kul, f.eks. australske kul (punkt 1 ovenfor). Ved findeling af kul og vask med vand er det muligt at fjerne FeSb sa kullenes svovlindhold reduceres (punkt 2). Ved kulfyring anses mgrensning (punkt 3) imidlertid for at vrere den bedste metode. I de senere ar er en del danske kraftvCI'rks enheder forsynet med mgrensningsanlCI'g, som fjerner det meste af rogens indhold af S02' Pa nogle kraftvCI'rker anvender man den sakaldte ter-proces, hvor man binder mgens indhold af S02 ved folgende reaktion: Ca(OHh + S02

--7

CaS03 + H 20

Rogen ledes gennem en forstovet blanding af »ICI'sket kalk« (Ca(OH)2) og vand, se figur 113. Vandet fordamper, og det dannede calciumsulfit fas som et tort produkt, som kaldes TASP (Tort Af-Svovlings-Produkt). Indtil nu har man deponeret det

.---<'ii,--ro~rstRfver III \ \ I I I \\ I I I \ \

filter

~set r6g Iii skorsfen

rl3ggCls ffa kedel

Figur 113. Skitse af et tor-absorptionsan l<Eg.

mth

"nbbitflrn,t ·"t

• z #ttt

to'

tllen' nt'TXrMr:iilf nnt'U

LtffWi

167

Forsuring

.. ~ f ..

meste TASP, idet man ikke har fundet tilstrcekkelige anvendelses muligheder. Man kan f.eks. deponere TASP i nedlagte grusgrave, hvorved man kan genskabe landskabets oprindelige form. Pa andre kraftvcerker anvendes en viid-proces, se figur 114. let vad anlceg tilscettes kalkpulver, luft og vand. Blandingen at kalk og vand pumpes rundt og sprojtes ind, sa den kommer i god kontakt med mggassen. Herved bindes svovldioxid. Vi kan skrive reak tionen saledes: CaC0 3 + S02

CaS03 + CO 2

kalk

Ved at tilfore luft oxiderer man calciumsulfit til calciumsulfat, cler udkrystalliserer med krystalvand som CaS0 4"2H 20 (gips): CaS03 + 1f202 + 2H 20

---'>

CaS04"2H zO

gips

Som figuren viser, udtager man hele tiden en del af blandingen og skiller gipsen fra. For at fa en anvendelig gipskvalitet rna man fjerne chloridioner fra gipse'n ved at vaske den med vand. Figur 114. Figuren

rl!ggas fra kede!

viser princippet i et vad-absorptionsanlceg.

renset r6g II! skorsten

CaS04 ·2H.O

(gipsJ

renset spildevancf

spi!devands

rensning

De mindste gipskrystaller skilles ikke fra. De ledes med vandet til bage i selve rogrensningsanlcegget for at vokse sig sterre. Der ud tages spildevand, som indeholder tungmetalioner, chloridioner, nitrationer m.m. Det ger man for at undga, at disse ioner ophobes i systemet. Spildevandet renses for tungmetalioner. Gipsproduktionen bruges til fremstilling af gipsplader, der an

6t;,0,,::

168

Forsuring

i, "

,': r ,"

vendes i byggeriet, f,eks, som skillevregge. Sammenlignet med t0r processen har vad-processen altsa den fordel, at den giver et an vendeligt produkt Man skal imidlertid trenke pa, at der er et be grrenset behov for gips, sa det er ikke fornuftigt udelukkende at satse pa rogrensningsanlreg, som producerer gips, Senere (side 171) omtales den sakaldte SNOX-proces, I denne proces sker SOz-rensningen efter helt andre kemiske principper. SNOX-processen giver svovlsyre som restprodukt Et rogrensningsanlreg rna betragtes som en forholdsvis stor ke misk fabrik. Det er indtil videre helt urealistisk at montere rogrensningsanlreg pa villafyr og andre mindre fyringsanlreg. I mindre fyringsanlreg kan man reducere emmissionen af SOz ved at formindske brrendselsforbruget, dvs. formindske energiforbruget, og ved at ga over til brrendsler med et mindre svovlindhold. Raolie fra Nords0en har et lavt svovlindhold (ca. 0,2%), mens ra olie fra Mellemosten er mere svovlholdig (f.eks. 2%). Efter destilla tion af raolien (se side 101) er det isrer de »tunge« fraktioner, der indeholder svovlforbindelser. Man kan nedsrette svovlindholdet ved en afsvovling. Afsvovlingen sker ved at behandle oliefraktionen med hydrogen ved hojt tryk. Der dannes hydrogensulfid, Leks.: C 13HZ7 SH + Hz ~ C\:\H Z8 + HzS Derefter omdanner man hydrogensulfid til frit svovl ved en proces, som i princippet er en forbrrending med underskud af oxygen, sa der dannes S og ikke SOZ: 2H zS + Oz -, 2H zO + 2S Naturgas indeholder svovl i form af hydrogensulfid. Den danske naturgas har et meget lavt svovlindhold (se side 100). Det er en re lativt simpel sag at afsvovle naturgas, idet man blot skal fjerne HzS fra gassen. HzS kan derefter omdannes til frit svovl som beskrevet ovenfor. Indtil videre har det dog ikke vreret nodvendigt at afsvovle den danske naturgas. Overgangen til naturgas har haft betydning med hensyn til at formindske svovldioxid-emissionen fra villafyr og andre mindre fyringsanlreg.

Opgave 139. Som na:vnt bruger man calciumhydroxid, nar man afsvovler roggas ved tor-processen. a} Calciumhydroxid fremstilles af kalk (calciumcarbonat). Forst laver man en »kalkbra:nding«, dvs. man opheder kalk, hvorved stoffet spaltes til cal ciumoxid og carbondioxid. Skriv reaktionsskemaet for kalkbra:ndingen.

",~lIiiIIIft.'1."tIll1'IIIli". ·.rr.".'lIllnnITml"".IIPIE.U. a

1IOiililIIfI1:1• • •? r Crt

. ''1liii'

1~:i" ttt1IIIIL.

Forsuring

169

b) Calciumoxid kaldes »briEndt kalk«. Nc\r calciumoxid blandes med vand, dannes calciumhydroxid (»liEsket kalk«). Skriv reaktionsskemaet for denne reaktion.

Opgave 140. Blok 3 pc\ Vestkraft i Esbjerg er et kraftvarmeviErk, som pro

ducerer elektricitet med effekten 350MW (megawatt) og fjernvarme med

effekten 460MW. ViErket bruger 114 ton kul pro time. Kullene antages at

indeholde 1,2% svovl (masse%). ViErket er forsynet med et r0grensnings

anliEg, som producerer gips.

a) Antag, at kullenes svovlindhold omdannes fuldstiEndigt til 502. Beregn

massen af den miEngde SOb som dannes pro sekund. b) 93,5% af r0gens SOrindhold omdannes til gips. Beregn massen af den miEngde gips, som dannes pro sekund. c) Antag, at viErket korer pa denne made hele aret rundt. Hvor meget gips dannes der pa et ar?

Begrrensning af NOx-emissionen Figur 109 side 163 viser, at kraftv1£rkerne, industrien og trafikken er de v1£sentligste kilder til forureningen med NO x • Som n1£vnt dannes NO x pa to forskellige milder. Nitrogenholdige br1£ndsler giver br1£ndsels-NO x' og desuden giver aIle bnendsler termisk NO x , som dannes ved reaktion mellem forbr1£ndingsluftens ind hold af N2 og 02: N2 + 02 ;:: 2NO

Ved udslippet fra skorstenen eller udstodningsmret findes n1£sten alt NO x i form at NO, idet kun nogle fa procent er omdannet til N0 2. Omdannelsen af NO til N0 2 sker forst i atmosf1£ren. Pa figur 112 side 165 ser man, at benzin er det br1£ndsel, som har den storste emissionsfaktor for NO x • Afbr1£ndingen at benzin i en bilmotor giver forholdsvis meget termisk-NO x' da forbr1£n dingstemperaturen er meget hoj. Udstodningsgassen fra biler indeholder en r1£kke ubehagelige stoffer. Ud over NO x drejer det sig om carbonmonoxid (CO) og om forskellige uforbr1£ndte carbonhydrider. I solrigt klima kan stof ferne i udstodningsgassen fremkalde en s1£rdeles ubehagelig tagedannelse, som kaldes fotokemisk smog (Los Angeles-smog). Hertil kommer, at nogle at carbonhydriderne i udstodningsgas sen er kr1£ftfremkaldende, og at carbonmonoxid er giftigt. Man kan rense udstodningsgassen ved at anbringe en katalytisk

•.~~,

170

Forsuring

Figur 115. Tegningen viser placeringen af den

katalytiske efterbrcender

~X'

·'.···1.·:

i udst0dningssystemet.

efterbnender (en »katalysator«) i udstodningssystemet, se figur 115. I efterbrcpnderen reduceres NO x (dvs. NO) til N 2 , samtidig med at udstodningsgassens indhold af carbonmonoxid og carbon hydrider oxideres: NO + CO

NO + CxH y

N2 + CO 2 + H 20

(ikke afstemt) (ikke afstemt)

Bemcprk, at disse reaktionsskemaer ikke er afstemt, og at formlen for de forskellige carbonhydrider i udstodningsgassen blot skrives CxH y • Den katalytiske efterbrcpnder kan pa samme tid fjerne tre forureningskomponenter (NO, CO og CxH y ) fra udstodningsgas sen. I stedet dannes Nb CO 2 og H 20, dvs. stoffer, som i forvejen findes i atmosfcprisk luft. Katalysatorerne i efterbrcpnderen er platin og rhodium (et platin lignende metal). Udstodningsgassen passerer gennem nogle tyn de kanaler, som er belagt med de to metaller, se figur 116. Kata lysatorerne kan ikke tale blyforbindelser, sa biler med »katalysa tor« skal kore pa blyfri benzin.

. I'

N2 + CO 2

Figur 116. I en katalytisk efterbrcender er der flere

i metal

tusind kanaler belagt

eller

i keramik

med platin og rhodium. Et katalysatorlegeme

bekzgning

med massen 1kg inde

af platin

nJlQll~I~J

og rhodium

holder kun 1,5g platin og 0,3g rhodium. Kanalernes sam lede overfladeareal er som to fodboldbaner.

Bilernes bidrag til NOx-forureningen skulle blive mindre i takt med, at gamle biler ophugges og erstattes af nye med »katalysa tor«. Som figur 109 side 163 viser, er det ogsa vigtigt at begrcpnse emissionen af NO x fra kraftvcprkerne. Her har man to muligheder: 1. Lav-NOx-fyring. 2. Rensning af mgen.

171

Forsuring

Vedlav-NOx-fyring styrer man lufttilforslen, sa man far en stor, men ret »kold« flamme. Forbrcendingsluften tilfores i flere trin. Den indledende forbrcending sker i oxygenfattigt miljo, og som tidligere omtalt fremmer det omdannelsen af det kemisk bundne nitrogen i brcendslet til N2 i stedet for NO. Dertil kommer, at den »kolde« flamme skulle formindske dannelsen af termisk-NO x. Lav NOx-fyring kan reducere emissionen af NO x med 20-50%. Lav-NOx-fyring anvendes pa en del danske kraftvcerksenheder, og desuden skal nogle kraftvcerksenheder forsynes med NOx-mg rensning. Man tilstrceber en halvering af kraftvcerkernes NO x emission i lobet af 90erne. Rogrensningen bestar i en omdannelse af nitrogenoxiderne til frit nitrogen ved reaktion med ammoniak: 4NO + O2 + 4NH 3 6N0 2 + 8NH 3

---3>

4N 2 + 6H/)

7N z + 12H20

Man tilscetter ammoniak til mggassen og far reaktionerne til at for lobe ved knap 400°C med brug af en katalysator. Figur 117. Vendsyssel vcerket er indtil videre det eneste danske kraft vcerk med SNOX-anlceg. Anlcegget blev indviet i 1991. Pi! billedet ser man tre store bygninger med hver sin skorsten foran. SNOX anlcegget udfylder hele den venstre bygning. Rogen fra vcerkets blok 2 (bygningen i midten) ren ses i SNOX-anlcegget. hvorved der arligt produ ceres 25000 ton svovlsyre. Blok 2 producerer el med effekten 295 MW. I for grunden ses kullageret.

Den sakaldte SNOX-proces er en elegant mgrensningsmetode, hvor man bade renser mgen for S02 og NO x, se figur 117. Et dia gram over processen tindes pa figur 118 (nceste side). Ved SNOX-processen renses mgen forst for NO x' Det sker ved at lade NO x reagere med NH 3 ved knap 400°C som beskrevet oven for. Herved dannes det uskadelige stof N2. Derefter ledes mgen forbi en katalysator (V20 S )' som omdanner S02 til S03 ved lidt over 400°C:

172

~:.

Forsuring

.,'

'"<""1: A

2S0 2 + O2

2S0 3

Vi har tidligere omtaIt denne proces ved gennemgangen af svovl syreproduktionen pa side 157. Nar gasstrommen derefter afkoles, reagerer S03 med rogens indhold af vanddamp:

Der dannes gasformig svovlsyre. Svovlsyren fort<ettes ved afkoling af rogen i glasror. Der anvendes glas for at undga problemer med tiering. Pa Vendsysselv<erket er der 52000 glasror, som hver er 7 meter lange. Slutproduktet er 95% svovlsyre, der er sa ren, at den umiddelbart kan erstatte fabriksfremstillet svovlsyre, f.eks. til fremstilling af kunstgodning. Figur 118. Principskitse

I'f6ggas rra kedel

I'(6g til skorsten

ren~et

af et SNOX-anlreg. Skit sen viser ikke aile de foranstaltninger, som er taget for at gore anlreg

fuff

get sa energiokonomisk som muligt.

varm luff til kedel

afkfif/ing

S03(g)"H2 0(g) ~ H2 S04 (g)

Ved SNOX-processen fjernes ca. 95% af rogens indhold af S02 og NO x • Der skal kun tils<ettes ammoniak, og det eneste restprodukt er svovlsyre, som kan s<elges. Med et SNOX-anl<eg er det faktisk en fordel at bruge kul med et hojt svovlindhold. SNOX-processen er udviklet af det danske firma Haldor Topsoe A/S.

Opgave 141. Afstem folgende reaktioner, der foregar i den katalytiske

efterbrrender pa en bil: NO + CO

NO + C2o H12

N2 + CO 2 ~

N2 + CO 2 + H2 0

(C 20 H'2 kunne vrere benzopyren, se side 98).

·.7°(

Nt'&'

te [

m· [

·f"

in*'*::" 'ttl'

173

Forsuring

'"Of

,r > .••

,""1

1';,

1''<;.

Opgave 1'42. Vi betragter et kraftvCI!rk, som producerer elektricitet med effekten 350MW. VCI!rket bruger arligt 700000 ton kul, som antages at have et svovlindhold pa 1,6% (masse%). Vi tCl!nker os, at vCl!rket er forsynet med et SNOX-anICl!g, som kan omdanne 93% af kullenes svovlindhold til H2 S0 4 , a) Beregn massen af den H2 S0 4, som produceres arligt (angives som massen af 100% H2 S0 4 ), b) Svovlsyren produceres som 95masse% svovlsyre (densitet1,83g/mL). Hvor stort et volumen af denne koncentrerede svovlsyre produceres der arligt? c) Hvor stort et volumen af svovlsyren produceres der i gennemsnit pro time?

Forsuringsskader Som ncevnt afgiver forbrcendingsanlceg SOz og NO x tilluften. Efter nogen opholdstid i luften vender stofferne tilbage til jord overfladen. Som vist pa figur 108 side 162 kan det ske som svovl syre og salpetersyre oplost i regnvand. Eller det kan ske ved direkte afscetning af SOz og NO z, som i fugtigt vejr oploses i en hinde af vand pa faste genstandes overflade. Emissionen af svovl- og nitrogenoxider forarsager en rcekke skadevirkninger pa materialer og pa naturen. Man peger hyppigt pa folgende skadevirkninger: 1. Forsuring af soer

2. Skovdod og andre planteskader 3. Skader pa bygningsvcerker, statuer m.m. 4. Fomget korrosion af metaller Eksperterne er enige om, at den sure nedbor (»syreregnen«) er skyld i forsuringen af svenske og norske soer. I en uforurenet so ligger pH normalt mellem 6 og 8, mens pH konstant er under 5 i en stcerkt forsuret so. Flere tusinde norske og svenske soer er ramt af forsuring. Bort set fra nogle soer i Midt- og Vestjylland er skaderne pa danske soer meget begrcensede. Det hcenger sammen med, at den clanske jord er rig pa kalk (CaC0:J)' Kalk kan neutralisere syrevirkningen, for di carbonationen er en base:

Den dannede hydrogencarbonation er ogsa en base:

Kalken bevirker, at pH-vcerdien holder sig over 6. Hvis kalk

•.. !

4idAt "hi': '

~!i .. ,

174

Forsuring .. 11'"

frigorelsen fra jorden ikke kan holde trit med syreti1forslen, vB pH vrerdien falde. Nar pH-vrerdien kommer ned under 5, vB der ske en frigorelse af aluminiumioner. Det kan vi (noget forenklet) gengive med folgende reaktionsskema:

Vandet strommer fra jorden via vandlob ud i soerne. Man mener, at det er tilforslen af Ar:+, som drreber plante- og dyrelivet i soerne. Sa lrenge soens pH-vrerdi ligger nrer neutralpunktet, er Al3+ bunelet som aluminiumhydroxid, men hvis pH-vrerdien falder til vrerdier under 5, frigores der Al:J+. Resultatet bliver, at kun nogle fa plante og dyrearter kan overleve. Soen »dor«. I Sverige prover man at redde soerne ved at tilfore kalk, se figur 119. Eksperterne er uenige om arsagerne til skovdoden, men det er en udbredt opfattelse, at luftforureningen med svovl- og nitro genoxider spiller en rolle. Syreregnen kan direkte skade bladene. Man skal trenke pa, at syrekoncentrationen i vandet pa bladover fladen oges, nar det atter bliver torvejr og vandet fordamper. Endvidere kan den sure nedbor bevirke, at en rrekke ioner, f.eks. Ca 2+ og Mg 2+, udvaskes fra jorden. Disse ioner er nodven dige for planterne, og derfor vil udvaskningen skade planternes vrekst og sundhed. Maske skader den sure nedbor ogsa planterne ved at frigore Al:J+, der virkes som gift for trreernes rodhar. Bygningsvrerker og statuer vii altid forvitre under indvirkning af wind og vejr«, men i ren luft sker denne forvitring meget lang somt. Hvis overfladen er poros og bestar af et syrefolsomt materi ale, kan luftforureningen imidlertid forarsage en relativ hurtig nedbrydning. Isrer angribes de kulturminder (bygningsvrerker, statuer m.m.), som bestar af poros, kalkbunden sandsten. Ned brydningen skyldes en kemisk reaktion mellem kalk og svovlsyre: CaC0 3 + H2S0 4 + H20

---?

CaS04 ·2H 20 + CO 2

gips

Der dannes gips, som fylder mere end den forbrugte mrengde cal ciumcarbonat. Gipsen har derfor tendens til at falde af i flager, hvorved en frisk overflade blotlregges, sa angrebet kan fortsrette. Man mener, at svovlsyren dannes pa stedet. Forste trin skulle vrere, at svovldioxid oploses i en hinde af vand pa materialets over flade. Ved reaktion med oxygen og vand omdannes svovldioxiden derefter til svovlsyre. Luftforureningen bevirker en foroget korrosion af metaller. Eeks. kan syreregnen efterhi'lnden nedbryde en zinktagrende:

175

Forsuring

Zn(s) + 2W(aq)

---'>

Zn 2+(aq) + H2(g)

Jern er langt det vigtigste brugsmetal. Forureningen fremmer ogsa korrosionen af jern. Man mener her, at korrosionen primcert skyldes angreb af svovldioxid: Fe + S02 + Oz

---'>

Fez+ + S04Z

Svovldioxid oploses i en hinde af vand pa metaloverfladen, hvor efter reaktionen sker. Til sidst skal det lige ncevnes, at bade SOz og N0 2 er sund hedsskadelige for mennesker.

Figur 119. Kalkning af en svensk

for at mod

virke forsuringen.

.,' ·iHtdWf:

Le.

176

','

absolut nulpunkt 58

benzen 95-97, 103, 147, 150,

absolut temperatur 58

151

acetation 122

diamant 72, 73, 74 diprot syre 123

benzin 86, 101-103, 165, 169,

acetone 43

,,1

dobbeltbinding 66,79,87,88, 90,94

170

actinoider 21

benzopyren 98

additionsreaktion 90,91,94

biogas 86

eddikesyre 106, 107, 122, 133

aflobsrens 41

blanding 108

elektrolyse 36

afstemning af reaktionsskeÂ

Bohr, N. 22, 23, 62

elektron 13, 14, 15,22-25,27,

maer 10-11,40, 139, 142-145 afsvovling 102, 166, 168

brint, se hydrogen

62,63,135,142,143

brom 20,36,86,87,90,92,95,

aktuel koncentration 115

elektronegativitet 67-69 elektronprikforll1el 63, 77

alifatisk 92

broll1ering 97

elektronsky 62

alkalimetaller 20

bromvand 90

elektronstruktur 23, 24

alkaner 80-87,98, 100

brrendsels-NO x 165

elektronsystell1 15,22,61

alkener 87-91

Bronsted, J. N. 121

elell1entarladning 14

alkoholer 104-106

buckminsterfulleren 74

elementarpartikel 14

alkoholgrering 105

buckyball 74

eliminationsreaktion 89

alkylgruppe 81

bundfald 39

endoterm 40, 42, 69

alkyner 92

burette 112

ethan 77,80

ammoniak 10,64,70, 115, 116, 124,146,155,159, 160, 171

carbon 17,72-75,76,77,79

ethansyre 106

amll10niakvand 124

carbonation 32, 173

ethen 79,87,88,89,90,91

ammoniumion 32

carbondioxid 61, 66, 85, 155

ethyn 79,92

anion 36

carbonhydrider 79, 80, 85, 87,

exoterm 40,41,123,159

ethanol 85,89, 104-106, 109

92,96,100

aren 96 aromatisk 96

carboxylsyrer 106, 107, 123

fareklasse 148, 149, 150, 151

atmosfrerisk luft 109, 155

chlor 20,27,28,64,87,90

faresymboler 149

atom 9,12-17,22,61-63

cis- 88

fase 108

atomgitter 72

cracking 89,103,104

forbrrending 11,85,86, 102,

atomkerne 13, 14

cyclisk 92

atommasse 16-17

cycloalkaner 93, 94

formel koncentration 115

atOll1nummer 14

cycloalkener 94

forll1elenhed 29, 46, 48

134,159,162,164,165,171

autoprotolyse 126

fonnelmasse 46

Avogadro, A. 50

Dalton,.T. 9, 10

forsuring 173, 174

Avogadro konstanten 50

dekomponere 35

fortynding 112, 113

delokaliseret 96

fysiske egenskaber 84

densitet 43-45

freldningsreaktion 38-40

deuterium 16

freldningstitrering 119

base 120,121,124-126 basisk 127

i "

,.. 'Â§.

*the'

'tNitty 4* !It It db

io! f

d&tti' ) -

w'n! fen' '"U1 "m r'

177

gaskonstant 58

kalium 18, 45

massetal 15

gasser 56-59, 109

kalk 33,122,125,167,173,174

Mendelejev, D. 18, 19

gips 167,168,174

katalysator 157,159,170,171

metal 25,30, 44, 69, 135, 136,

grafit 72,73,74,98

katalytisk efterbra::nder 170

';>""11'';;>

grundelementer 144

kation 36

metalgitter 44

grundstof 9,15,18-22,25,26

katodestnller 12, 13

methan 11,64,77,80,86,87,

grundvand 154

kemikalieaffald 152-153

gnenseva::rdi 146-147

kemisk forbindelse 9, 25

methanol 104, 105

kemisk ligeva::gt 116

mol 47,48,49

halogener 20, 80

kemisk reaktion 10,21,84

molar masse 49, 50

heptan 81,85,86,102,108,

kemiske egenskaber 84

molekyle 10,29,56-57, 70-72,

115, 121, 148

kobber 31,44,45,135,136,

heterogen 108 hexan 80,81,85,148

161

molekylgitter 70

koefficienter 11, 40, 52

molekylmasse 46

hovedgruppe 19,20,24

kolorimetrisk titrering 119,

ma::ngdeberegninger 52-54

168 hydrogenchlorid 61, 67, 69, 120, 123, 146, 147 hydrogensulfid 61, 100, 157, 168

ma::rkning 148-151

132 Kommunekemi 152-153

ma::ttet oplosning 114, 115

koncentration 110 -113,

miUekolbe 111,113

115-116 koordinationstal 28

naphthalen 97

korrosion 138-139,173,174

natrium 18,27,28,45. 137

kovalent binding 61, 63-66,

natriumchlorid 27-29,34,35,

67,69,72,77

hydroxidion 32,

36,37,68,69,120

krystalvand 33,34

natriumhydroxid 40,41,124,

ideal gas 59

kul 61, 162, 163, 164, 165, 166

idealgasloven 58, 59

kulbrinter 79

naturgas 86, 98-100, 168

ikke-metal 25, 30, 69, 135

kuldioxid 61

navngivning 30,32,61,81-83

ilt, se oxygen

kulstof, se carbon

neutral 127, 128

inddampning 37

kulsyre 155

neutralisere 125, 155

indikator 117, 118, 129, 132,

kva::lstof, se nitrogen

neutron 14

133

148

nitration 32, 161

iod 20,70,72, 113, 114, 115

lanthanoider 21

nitre ring 97

ionbinding 28, 35, 68, 69

lav-NOx-fyring 170,171

nitrition 32, 161

ioner 27,29,30,31,32,36,38,

ledigt elektronpar 64, 121, 122

nitrogen 25, 66, 109, 158, 159,

140

molekylfonnel 77

homogen 108

62,63,67,70,79,90,137,159,

98,100

klor, se chlor

hydrogen 9, 14, 16, 19, 23, 26,

â&#x20AC;˘

137,138,139,173,174

letmetal 45

165

ionforbindelse 29, 69

ligeva::gt 114, 116, 122

iongitter 28, 34, 35, 36, 69

loftva::rdi 146, 147

nitrogenoxider 155, 162-165, 169-172,173 nitrogruppe 97

isomeri 81, 88 isotoper 14, 15, 16

magnesium 18, 134, 135, 139

jern 138, 139

masseprocent 108

nukleon 15

massefylde 43

rtf

frttnt",Âˇ (ttrr'

at> vtllSl

l !

oktantal 102,103

:ltaen 'Hi rt,rttftniWta . iY'{

178

Sorensen, S, P. L. 127

oktetregeI 25,27,63,64,66

rumlig opbygning 64, 65

olie 86,100-104

Rutherford, E. 13, 14

olieraffinaderi 101, 102, 104

mgrensning 166-168, 171-172

opl0selighed 114, 115

TASP 166, 167 temperatur 58

opl0sning 108

salmiakspiritus 124

organisk kemi 76

salpetersyre 123, 155, 159,

oxidation 134-135, 136, 143

teoretisk udbytte 54 termisk-NO x 165, 169, 171 tetraeder 64

160, 161, 162, 173

oxidationstal 139-142,143,144

salpetersyrling 161

Thomson,].]. 13

oxoniumion 120

salte 29, 30-38, 40, 122

tilstandsform 34, 70, 72

, oxygen 9, 10, 11, 25, 26, 44, 56,68,70,79,85,109,134,

saltsyre 120, 123

titreranalyse 117-119

sammensat ion 32

titrerkurve 132

skal 15,22,23,24

trans- 88

SNOX 168,171-172

tripelbinding 66, 79, 159

PAH 98

spaondingsraokken 135-137

tritium 16

periode 19

S-saotninger 148, 151, 183

trivialnavn 34

periodisk system 18-21, 23, 25

stofmaongde 47-50

tryk 57

petrokemisk industri 104

stofmaongdekoncentration

tungmetal 45

138, 159, 160, 161, 165

110

pH 126-130

tor-proces 166

stregformel 64, 65, 77

pH-meter 130 phosphation 32

strukturformel 77

udbytte 54

pipette 112, 113

staork syre 122, 123

udgangsstof 11

plastic 91

sublimation 72

umaottet opl0sning 114

polyethen 91

substitutionsreaktion 86,87,

umaottet stof 91, 92

polymerisation 91

undergruppe 20,24,31,45

polaor binding 67, 68, 69

sulfation 32, 157

ppb 109

sulfidion 31

ppm 109

sulfition 32, 158

vand 9,10,64,68,85,90,106,

praktisk udbytte 54

sur 127, 128, 155

109, 113, 114, 120, 121, 122,

universalindikatorpapir 129

procent 108

svag syre 122

produkt 11

svovl 25, 70, 71, 156, 157, 168

proton 14, 15, 121

svovldioxid 155, 157, 158,

radioaktiv 16

123, 124, 126, 127, 154-155 volumenprocent 109 vaogtprocent 108

162-164,166-167,171,173,

Wohler, E 76

175

viid-proces 167

svovlsyre 123, 124, 151, 155,

reaktant 11

157,162,168,172, 173, 174

reaktionsprodukt 11 redoxreaktion 135, 139, 142-144

zink 135, 136, 138, 139

svovlsyrling 158 syntese 77

aodeIgasreglen 25, 63

redoxtitrering 145

syre 120, 121, 122-124

aodle gasser 20, 22, 24, 25

reduktion 134, 135, 142, 143

syre-baseindikator 129

aodle metaller 25, 136, 137

reforming 102

syre-basereaktion 121, 126

aokvivalenspunkt 118, 132,

ringspaonding 94

syre-basetitrering 131-133

R-saotninger 148, 151, 182

syreregn 155, 162,173,174

rt:r "tfHstr

'sm Hi ,rtf ttrrrlttrrn 't'tMf'di

•

133, 145 aokvivalente mrengder 52

dum••" •

.........

It'

179 ~~~~-------------------------------

Tabeller Fortegnelse over grundstofferne Elektronstruktur

Symbol

Grundstof

Atommasse i u

Hydrogen

1,00794

Helium

4,002602

Lithium

6,941

Beryllium

9,012182

Bor

10,811

Carbon

12,011

Nitrogen

14,00674

Oxygen

15,9994

Fluor

18,9984032

Neon

20,1797

Natrium

22,989768

Magnesium

24,3050

Aluminium

26,981539

Silicium

28,0855

Phosphor

30,973762

Svovl

32,066

Chlor

35,4527

Argon

39,948

7. skal

Kalium

39,0983

Calcium

40,078

Scandium

44,955910

Titan

47,88

Vanadium

50,9415

Chrom

51,9961

Mangan

54,93805

Jern

55,847

Cobalt

58,93320

Nikkel

58,69

Kobber

63,546

Zink

65,39

Gallium

69,723

" ), t'v#ft"-,,

180

Elektronstruktur Atommasse i u

Symbol

Germanium

Arsen

74,92159

Selen

78,96

Brom

79,904

Krypton

83,80

Grundstof

72,61

Rubidium

85,4678

Strontium

87,62

Yttrium

88,90585

Zirkonium

91,224

2 1

Niobium

92,90638

Molybdil!n

95,94

Technetium

(98)

Ruthenium

101,07

Rhodium

102,90550

Palladium

106,42

Solv

107,8682

Cadmium

112,411

Indium

114,82

Tin

118,710

Antimon

121,75

Tellur

127,60

lod

126,90447

Xenon

131,29

Ccesium

132,90543

Barium

137,327

Lanthan

138,9055

Cerium

140,115

Praseodym

140,90765

Neodym

144,24

Promethium

(145)

53 54

Samarium

150,36

Europium

151,965

Gadolinium

157,25

Terbium

158,92534

Dysprosium

162,50

Holmium

164,93032

Erbium

167,26

Thulium

168,93421

. . . . .1:

:;l'lTrfrrTmrlrrltt

,-ep*n,rnmt ,rntr1t!~

7.skal

; hmo

181

Elektronstruktur

Symbol

Grundstof

Atommasse i u

Ytterbium

173,04

Lutetium

174,967

Hafnium

178,49

2 2

8 8

8 8 8 8

Tantal

180,9479

Wolfram

183,85

Rhenium

186,207

Osmium

190,2

Iridium

192,22

Platin

195,08

2 2 2 2

Guld

196,96654

Kviks01v

200,59

8 8 8 8

Thallium

204,3833

Bly

207,2

Bismuth

208,98037

2 2 2 2

Polonium

(209)

Astat

(210)

Radon

(222)

8 8

2 2

7. skal

··1~ .., •...

Francium

(223)

Radium

(226)

Actinium

(227)

Thorium

232,0381

Protactinium

231,03588

8 8 8 8

2 2 2 2

Uran

238,0289

8 8 8 8 8

Neptunium

(237)

Plutonium

(244)

Americium

(243)

Curium

(247)

2 2 2 2 2

Berkelium

(247)

Californium

(251)

Einsteinium

(252)

8 8

2 2

100

Fermium

(257)

2 2 2 2

8 8 8 8

101

Mendelevium

(258)

102

Nobelium

(259)

103

Lawrencium

(260)

Internationalt har man anerkendt fremstilling af grundstofferne til og med nr. 109.

Der er nogle grundstoffer, hvor aile kendte isotoper er radioaktive. Det gGelder nr. 43 og nr. 61 samt fra

nr. 84 og videre op. For de fleste af disse grundstoffer er der under atommasse anf0rt massetallet for

den lamgstlevende isotop. Disse massetal star i parentes.

182

R-sretninger R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 R24 R25 R26 R27 R28

Eksplosiv i tor tilstand Eksplosionsfarlig ved stod, gnidning, ild eller andre antcendelseskilder Meget eksplosionsfarlig ved stod, gnidning, i1d eller andre antcendelseskilder Danner meget folsomme eksplosive metalfor足 bindelser Eksplosionsfarlig ved opvarmning Eksplosiv ved og uden kontakt med luft Kan forarsage brand Brandfarlig ved kontakt med brandbare stoffer Eksplosionsfarlig ved blanding med brand bare stoffer Brandfarlig Meget brandfarlig Yderst brandfarlig Yderst brandfarlig flydende gas Reagerer voldsomt med va nd Reagerer med vand under dannelse af meget brandfarlige gasser Eksplosionsfarlig ved blanding med oxiderende stoffer SelvantiEndelig i luft Ved brug kan brandbare dampe/eksplosive damp-Iuftblandinger dannes Kan danne eksplosive peroxider Farlig ved indimding Farlig ved hudkontakt Farlig ved indtagelse Giftig ved indanding Giftig ved hudkontakt Giftig ved indtagelse Meget giftig ved indanding Meget giftig ved hudkontakt Meget giftig ved indtagelse

R29 R30 R31 R32 R33 R34 R35 R36 R37 R38 R39 R40 R41 R42 R43 R44 R45 R46 R47 R48 R49 R50 R51 R52 R53 R54 R55 R56 R57 R58 R59

Udvikler giftig gas ved kontakt med vand Kan blive meget brandfarlig under brug Udvikler giftig gas ved kontakt med syre Udvikler meget giftig gas ved kontakt med syre Kan ophobes i kroppen ved gentagen brug A:tsningsfare Alvorlig cetsningsfare Irriterer ojnene Irriterer andedrcetsorganerne Irriterer huden Fare for varig skade pa helbred Mulighed for varig skade pa helbred Risiko for alvorlig ojenskade Kan give allergi ved indanding Kan give allergi ved kontakt med huden Eksplosionsfarlig ved opvarmning under indeslutning Kan fremkalde kriEft Kan forarsage arvelige genetiske skader Kan medfore fosterskader Alvorlig sundhedsfare ved liEngere tids pavirkning Kan fremkalde kriEft ved indanding Meget giftig for organismer, der lever i vand Giftig for organismer, der lever i vand Skadelig for organismer, der lever i vand Kan forarsage uonskede langtidsvirkninger i vandmiljoet Giftig for planter Giftig for dyr Giftig for organismer i jordbunden Giftig for bier Kan forarsage uonskede langtidsvirkninger i miljoet Farlig for ozonlaget

Desuden anvendes nogle standardiserede kombinationer af R-siEtningerne overfor. KombinationssiEt足 ningerne er blot en sammenskrivning af de pagceldende R-scetninger, sa vi nojes med nogle eksempler: R14/15 Reagerer voldsomt med vand under dannelse af meget brandfarlige gasser R15/29 Reagerer med vand under dannelse af giftige og meget brandfarlige gasser R20/21 Farlig ved indanding og ved hudkontakt R21/22 Farlig ved hudkontakt og ved indtagelse R20/21122 Farlig ved indanding, ved hudkontakt og ved indtagelse R23/24/25 Giftig ved indanding, ved hudkontakt og ved indtagelse R39/23 Giftig: fare for varig skade pa helbred ved indanding R40/20 Farlig: mulighed for varig skade pa helbred ved indanding R48/20 Farlig: alvorlig sundhedsfare ved lcengere tids pavirkning ved indanding R48/23/24/25 Giftig: alvorlig sundhedsfare ved lcengere tids pavirkning ved indanding, hudkontakt og indtagelse.

183

S-sretninger 51 52 53 54 55 56 57 58 59 512 513 514 515 516 517 518 520 521 522 523 524 525 526 527 528 529 530 533 534 535 536 537 538

Opbevares under las Opbevares utilgiEngeligt for born Opbevares koligt Ma ikke opbevares i neerheden af beboelse Opbevares under ... (en egnet veeske, som angives af fabrikanten) Opbevares under ... (en inaktiv gas, som angives af fabrikanten) Emballagen skal holdes teet lukket Emballagen skal opbevares tort Emballagen skal opbevares pa et godt ventileret sted Emballagen ma ikke lukkes teet Ma ikke opbevares sammen med neerings- og nydelsesmidler samt foderstoffer Opbevares adskilt fra ... (uforligelige stoffer, som angives af fabrikanten) Ma ikke udseettes for varme Holdes veek fra anteendelseskilder - Rygning for budt Holdes veek fra brandbare stoffer Emballagen skal behandles og abnes med forsig tighed Der ma ikke spises eller drikkes under brugen Der ma ikke ryges under brugen Undga indanding af stov Undga indanding af gas/rog/dampe/aerosoltager (angives af fabrikanten) Undga kontakt med huden Undga kontakt med ojnene Kommer stoffet i ojnene, skylles straks grundigt med vand og leege kontaktes Tilsmudset toj tages af Kommer stof pa huden vaskes straks med store meengder ... (angives af fabrikanten) Ma ikke kommes i kloakaflob Heeld aldrig vand pa eller i produktet TriEf foranstaltninger mod statisk elektricitet Undga stod eller gnidning 5toffet eller emballagen skal bortskaffes pa en sikker made Brug seerligt arbejdstoj Brug egnede beskyttelseshandsker under arbej det Brug egnet andedreetsveern, hvis effektiv venti la tion ikke er mulig

539 Brug beskyttelsesbriller/ansigtsskeerm under arbejdet 540 Gulvet og tilsmudsede genstande renses med ... (angives af fabrikanten) 541 Undga at indande rogen ved brand eller eksplosion 542 Brug egnet andedreetsveern ved rygningl sprojtning (angives af fabrikanten) 543 Brug ... ved brandslukning (angives af fabri kanten. 5afremt vand ikke ma bruges tilfojes: »Brug ikke vand«) 544 Ved ildebefindende kontakt leege; vis etiket ten, hvis det er muligt 545 Ved ulykkestilfeelde eller ved i1debefindende er omgaende leegebehandling nodvendig; vis etiketten, hvis det er muligt 546 Ved indtagelse, kontakt omgaende leege og vis denne beholder eller etiket 547 Mel ikke opbevares ved temperaturer over ... '~C (angives af fabrikanten) 548 Holdes befugtet med ... (passende middel angives af fabrikanten) 549 Ma kun opbevares i den originale emballage 550 Ma ikke blandes med ... (angives af fabrikan ten) 551 Ma kun bruges pa steder med god ventilation 552 Bor ikke anvendes til storre flader i beboel ses- eller opholdsrum 553 Undga enhver kontakt - indhent seerlige anvisninger for brug 554 Indhent forureningskontrolmyndighedernes tilladelse inden udledning til spildevands rensningsanleeg. 555 Behandles efter de bedste forhandenveeren de metoder inden udledning i kloak eller vandmiljo 556 Udled ikke stoffet i kloak eller miljo, men aflever det til en autoriseret affaldsindsam lingsvirksomhed 557 5kal indesluttes forsvarligt for at undga miljoforurening 558 5kal bortskaffes som farligt affald 559 Indhent oplysninger om genvinding/genan vendelse hos fabrikanten/leverandoren 560 Dette materiale og/eller dets beholder skal bortskaffes som farligt affald

Desuden anvendes nogle standardiserede kombinationer af 5-seetningerne ovenfor, f.eks.: 524/25 Undga kontakt med huden og ojnene 537/39 Brug egnede beskyttelseshandsker og -brillerl ansigtsskeerm under arbejdet

184

Nogle vigtige ioners formler og navne Positive ioner (kationer)

Negative ioner (anioner)

Na+

Natriumion

F-

Fluoridion

K+

Kaliumion

CI-

Chloridion

M g 2+

Magnesiumion

Br-

Bromidion

Ca 2+ Ba 2+

Calcium ion

lodidion

Bariumion

ClO-

Hypochlorition

A13+ 5n 2+

Aluminiumion

C10 2-

Chlorition

Tin(lI)ion

C10 3-

Chloration

5n 4+ Pb 2+

Tin(IV)ion

C10 4-

Perchloration

Bly(ll)ion

Br03 -

Bromation

Cu+ Cu 2+

Kobber(l)ion

10 3-

Iodation

Kobber(lI)ion

MnOl-

Manganation

501vion Zinkion

Mn040 2-

Oxidion

Hgl+ Hg 2+

Kviks0Iv(l)ion

Hydroxidion

Kviks0Iv(lI)ion

ol-

Peroxidion

Cr 3+ Mn 2+

Chrom(lIl)ion

52-

5ulfidion

Mangan(lI)ion

H5-

Hydrogensulfidion

Fe 2+

Jern(ll)ion

50/-

5ulfition

Fe 3 + C0 2+

Jern(lIl)ion

H50 3 -

Hydrogensulfition

Cobalt(ll)ion

50l-

5ulfation

Ni 2+

Nikkelion

H50 4-

Hydrogensulfation

NH 4+

Ammoniumion

52째/54째6 252째8 2CrO/-

Thiosulfation

Ag+ Zn 2+

Permanga nation

Tetrathionation Persulfation Chromation

Cr20/-

Dichromation

N0 2-

Nitrition

N0 3 -

Nitration

P0 43 -

Phosphation

HPol-

Hydrogenphosphation

H2P0 4CO/-

Carbonation

Dihydrogenphosphation

HC0 3 -

Hydrogencarbonation

Cyanidion

5CW

Thiocyanation

CH 3 COO-

Acetation

Grundstoffemes periodiske system

I 1

1.008

H hydrogen

6.941 4

9,012

lithium

beryllium

22.99 12

24.31

magne natrium IVa Illa sium 19 39,10 20 40,08 21 44,96 22 47,88 23

VIa

50,94 24

VIla

52,00 25

VIIIa

54,94 26

55,85 27

58,93 28

58,69

kalium

calcium

scandium

titan

vanadium

chrom

~an

jern

cobalt

nikkel

85,47 38

87,62 39

92,91 42

91,22 41

88,91 40

95,94 43

102,9 46

101,1 45

106,4

molyb ruthe techne yttrium rubidium strontium zirkonium niobium rhodium palladium nium dam tium 55 132.9 56 137,3 57 138,9 72 178,5 73 180,9 74 183.9 75 186,2 76 190,2 77 192,2 78 195,1

Re.

eresium

barium

lanthan

hafnium

tantal

wolfram

rhenium

osmium

iridium

platin

francium

radium

actinium

104

105

106

107

109

108

Unq Unp Unh Uns Uno Une unnil quadium

unnil· pentium

unnit hexium

unnil septium

unnil

octium

unnil ennium

alkali metaller 58 lanthanoider

140.1 59

140,9 60

144,2 61

praseo prome neodym cerium dym thium 90 232,0 91 231,0 92 238.0 93

actinoider

'Pa

thorium

protac tinium

15D,4 63

152,0 64

157,3

gada samarium europium linium 96 94 95

uran

neptu nium

pluto nium

ameri cium

curium

VIII

4,003

He ill 10,81 '6

:29 ,

63,55 30

IIa

zink

kobber

14,01 8

19,00 10

16,00 9

20,18

bor

carbon

nitrogen

oxygen

fluor

neon

32,07 17

30,97 16

35,45 18

silicium

phosphor

svovl

chlor

argon,

69,72 32

74,92 34

72,(;)1 33

78,96 35

79,90 36

gallium

germa nium

arsen

selen

brom

krypton

118,7 51

121,8 52

126,9 54

127,6 53

131,3

s01v

cadmium

indium

tin

antimon

tellur

iod

xenon

197,0 80

200,6 81

207,2 83

204,4 82

209,0 84

83,80

,Ga

114,8 50

39,95

112,4 49

107,9 48 ,

VII

allimi nium

65,39 31

12,01

26,98 14 '28,09 15

helium

guld

kviks0lv

thallium

bly

bismuth

polonhlm

astat

radon

halogener redelgasser

158,9 66

164,9 68

167,3 69

168,9 70

173,0 71

175,0

terbium

dyspro sium

holmium

erbium

thulium

ytterbium

lutetium

I Bk

162,5 67

berkelium

100

califor nium

einstein ium

101

fermium

mende levium

102

103

nobelium

lawren dum

atom nummer

183,9

w wolfram

Kemi 2000 er el Imrebogssyslem for de gymnasiale uddannelser, hvor der undervises i kemi pa Ire niveauer. Kemi 2000 C-niveau rummer pensum for 1.g pa malemalisk linie. Kemi 2000 I-niveau er beregnel Iii del elarige valgfag i gymnasiel og hI. Kemi 2000 A-niveau 1 og 2 er sluevel Iii del loarige valgfag (ÂťIcemi pa hoil niveau<c J. Syslemel Imgger op Iii en kemiundervisning, der er prmgel af en fruglbar vekselvirkning mellem leori, eksempler, opgaver og elevovelser. Kemiens grundbegreber forklares prmcisl og omhyggeligl i el letforslaeligl sprog, og der er lagl vmgl pa al belyse kemiens samfundsmmssige belydning.

ISBN 87-559-0992-2

BaSE

911~1111~fIlIll~~~~ ~ ~l