Esben Christiansen
DEN LILLE FYSIKOG KEMIHJÆLPER
Frydenlund
Den lille fysik- og kemihjælper 1. udgave, 1. oplag, 2015 Copyright © 2015: Esben Christiansen og Frydenlund ISBN 978-87-7118-572-0
Forlagsredaktion: Lil Vad-Schou Korrektur: Per Malmberg Grafisk tilrettelæggelse: dittemunk.dk Instruktive tegninger: dittemunk.dk Fotos: Hans Ole Madsen Grafisk produktion: GraphyCems, Spanien Kopiering fra denne bog eller dele deraf er kun tilladt i overensstemmelse med overenskomst mellem Undervisningsministeriet og Copydan. Enhver anden form for kopiering er uden forlagets skriftlige samtykke forbudt ifølge gældende dansk lov om ophavsret. Undtaget herfra er korte uddrag i anmeldelser. Frydenlund Alhambravej 6 DK-1826 Frederiksberg C T: 3393 2212 post@frydenlund.dk www.frydenlund.dk Tilmeld dig forlagets nyhedsmail på www.frydenlund.dk/nyhedsservice
5
Forord. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
FÆLLES NATURFAGLIGE OMRÅDER
Naturvidenskabelig arbejdsmetode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Bæredygtighed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
KEMI – GRUNDLAGET
Kemisk udstyr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 Atomer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Det periodiske system. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 7 Kemisk forbindelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1 Kemisk reaktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Opløsning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Adskillelse af stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Kemisk analyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
UORGANISK KEMI
Metaller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Redoxreaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ioner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Syrer og baser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalk . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ORGANISK KEMI
Fossile brændstoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kulhydrater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fedtstoffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Proteiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Alkoholer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
FYSIK – GRUNDLAGET
33 35 36 41 45
47 52 54 55 56
Tilstandsformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Størrelser i fysik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Kraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1
6
Tryk . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Arbejde/energi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
ENERGI
Energiomdannelse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Varmeenergi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Mekanisk energi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Kemisk energi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Kerneenergi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1 Strålingsenergi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Elektrisk energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
ELEKTRICITET
Ladning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kredsløb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Jævnstrøm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vekselstrøm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kraftværk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eltavle . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transformation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ensretning af vekselstrøm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75 76 80 81 83 84 85 87 89
MAGNETISME
Magneter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Elektromagnetisme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
BØLGER
Bølgelængde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Lydbølger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Elektromagnetisk stråling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 Lys som bølger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Lys som partikler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7
Brydning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Refleksion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
RADIOAKTIVITET
Ioniserende str책ling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Isotoper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Henfald. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Halveringstid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 M책ling af radioaktivitet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Str책lingsfare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
ASTRONOMI
Jorden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 5 Solsystemet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 7 Galakse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 9 Universet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
36
UORGANISK KEMI
kun ske på zinken og ikke på jernet. Det bruges på skibe, hvor der sættes zinkstykker på skroget under vandlinjen. Disse zinkstykker har forbindelse til jerndelene på skroget, som ellers ville være stærkt udsat for korrosion i saltvand. Dette virker i realiteten for ethvert metal ved at påføre metallet et andet metal, som står længere til venstre i spændingsrækken.
Ioner
Hvis et grundstof har flere eller færre elektroner uden om kernen, end der er protoner i kernen, kaldes det en simpel ion. Hvis der er flere elektroner end protoner, er det en negativ ion. Hvis der er færre elektroner, er det en positiv ion. Alle metaller danner positive ioner. Metallerne i 1. hovedgruppe i det periodiske system vil danne ioner med én positiv ladning, og metallerne i 2. hovedgruppe vil danne ioner med to positive ladninger, som følge af ædelgasreglen (se denne). Ædelgasreglen gør også, at ikkemetallerne fra 7. hovedgruppe kan danne ioner med én negativ ladning, fra 6. hovedgruppe med to negative ladninger osv. Ladningen skrives øverst til højre for det kemiske symbol/den kemiske formel. Metalionerne hedder grundstoffets kemiske navn efterfulgt af ‘-ion’, fx natrium-ion. De negative simple ioner får efterstavelsen ‘-id’ på grundstofnavnet, fx chlorid. Nogle gange forkortes grundstofnavnet, før endelsen sættes på, fx oxid. Et molekyle kan også have et overskud eller underskud af elektroner og blive til en ion. Det kaldes for en sammensat ion. Sammensatte ioner er ofte et vist antal oxygen-atomer sammen med et andet grundstof. En sådan sammensat ion vil tage navn efter det andet grundstof end oxygen og få endelsen ‘-at’ for det mest almindelige antal oxygen-atomer tilknyttet og endelsen ‘-it’ for et oxygen-atom mindre end almindeligt. Det ses fx med sulfat (SO42-) og sulfit (SO32-). Her er formler og navne på nogle af de væsentligste ioner:
37
FORMEL
NAVN
H+
hydrogen-ion
Li+
lithium-ion
Na+
natrium-ion
K+
kalium-ion
Mg2+
magnesium-ion
Ca2+
calcium-ion
Ba2+
barium-ion
Zn2+
zink-ion
Al3+
aluminium-ion
Cu+
kobber(I)-ion
Cu2+
kobber(II)-ion
Fe2+
jern(II)-ion
Fe3+
jern(III)-ion
Ag+
sølv-ion
NH4+
ammonium
NB: Det er to forskellige udgaver af både kobber-ioner og jern-ioner.
FORMEL
NAVN
F-
flourid
Cl-
chlorid
Br-
bromid
I-
iodid
38
UORGANISK KEMI
O2-
oxid
S2-
sulfid
N3-
nitrid
OH-
hydroxid
NO3-
nitrat
NO2-
nitrit
SO42-
sulfat
SO32-
sulfit
CO32-
carbonat
PO43-
phosphat
CH3COO-
acetat
Salte Et salt er en ionforbindelse (se denne) og har ingen ladning. Derfor skal ladningerne på de positive og negative ioner gå op med hinanden. Ved saltet natriumchlorid, som er det salt, vi til dagligt kalder ‘salt’ og kommer i vores mad, går det lige op med ladningerne, da der er ét plus på natrium-ionen og ét minus på chlorid. Ved andre salte er det mere komplekst. Natriumoxid er sat sammen af Na+ og O2-, hvorfor der skal to natrium-ioner til hver oxid. Den kemiske formel bliver da Na2O. Aluminiumsulfat er ionerne Al3+ og SO42- sat sammen i forholdet to til tre, så her er den kemiske formel Al2(SO4)3. Let- og tungtopløselige salte Salte kan opløses i vand, så ionerne bevæger sig frit i vandet (se mere under Opløsning). I dette skema kan man se, hvilke kombinationer af ioner der giver letopløselige, og hvilke der giver tungtopløselige salte (se Opløselighed):
39
NO₃ClBrISO₄²CO₃²OHS²PO₄³-
NH₄+ L L L L L L L L
Na+ L L L L L L L L L
K+ L L L L L L L L L
Mg²+ L L L L L T T T T
Zn²+ L L L L L T T T T
Cu²+ L L L L T T T
Fe²+ L L L L L T T T
Fe³+ L L L L T T T
Ca²+ L L L L L T T T T
Ba²+ L L L L T T L T T
Pb²+ L T T T T T T T T
Ag+ L T T T T T T T
Skema over letopløselige (L) og tungtopløselige (T) salte ved 20 °C. (-) betyder, at saltet ikke kan eksistere. Iongitter Når et salt ikke er opløst i vand, vil de positive og negative ioner sætte sig i et iongitter og være et fast stof. Iongitrene dannes ved, at de negative og positive ioner tiltrækkes af hinanden samtidig med at to ensladede ioner frastøder hinanden. Derfor vil de negative og positive ioner sidde i et meget fastlåst system. Det betyder, at de fleste salte er meget hårde og har et højt smeltepunkt. Krystallisering Processen, hvor disse iongitre dannes, kaldes krystallisering. Man kan lave en langsom krystallisering ved at lave en mættet opløsning (se denne) og lade den stå, så vandet langsomt fordamper. Herved opnås store krystaller. En hurtigere måde at lave krystaller på er ved inddampning (se denne). Her opnås dog kun meget små krystaller. Den mest spektakulære måde at se krystallisering på er ved at komme en enkelt lille krystal af saltet i en overmættet opløsning. Da vil de ioner, der er ‘for meget’ i opløsningen øjeblikkeligt krystallisere sig ud fra den enkelte lille krystal. Demineraliseret vand Hvis man har sørget for, at alle ioner er fjernet fra noget vand, kaldes dette vand for demineraliseret vand, da alle mineralerne (saltene) er taget ud af vandet.
40
UORGANISK KEMI
Gødning Landmanden spreder gødning ud på marken, fordi planterne skal bruge nogle af de stoffer, der er i gødningen, til at vokse. Disse stoffer er salte, som bliver opløst i vandet i jorden, og som planterne derfor kan optage gennem rødderne. Kunstgødning er salte, der indeholder ioner med grundstofferne nitrogen, phosphor og kalium i sig. Derfor kaldes kunstgødning også for NPK-gødning. Kvælstofkredsløbet Hvor meget nitrogen (eller kvælstof ) vi udleder i naturen, har stor indflydelse på den balance, der er i naturen. Hvad der er godt for planterne på en mark, er sjældent godt for livet i en sø (mere om det i biologi). For at forstå problematikken, må vi se på kvælstoffets vej rundt i naturen.
ATMOSFÆRISK KVÆLSTOF
DØDT ORGANISK MATERIALE
DENITRIFIKATION
NITRAT
NITRIT
UDVASKNING
Kvælstofkredsløb.
AMMONIAK
KVÆLSTOFFIKSERING