Aurum by Det Danske Idéselskab

m u r u A YM G R O F I KEM

1 T E I NAS

EN IANS T S I R ED K T S BERG G R N E O D R CE KIM NAR N U G

Indholdsfortegnelse

1 2 3 4 2

Forord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Grundstoffer og kemiske forbindelser . . . . . . . . . . . 5 (1.1) (1.2) (1.3) (1.4) (1.5) (1.6) (1.7) (1.8) (1.9)

Grundstoffer . . . . . . . . . . . . . . . Vand – en kemisk forbindelse . . . . . . Flere kemiske forbindelser . . . . . . . . Formler og navne . . . . . . . . . . . . . Kemiske reaktioner . . . . . . . . . . . . Hvor kommer grundstofferne fra? . . . . Grundstofferne i dig . . . . . . . . . . . Grundstoffernes periodesystem . . . . . Atomets opbygning og periodesystemet

. . . . . . . . .

Salt – et vigtigt råstof . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6)

Det livsvigtige salt . . . . . . . . . . Salt – kemisk set . . . . . . . . . . . Salt i Danmark . . . . . . . . . . . . Elektrolyse . . . . . . . . . . . . . . Salt – et råstof i den kemiske industri Mere om ioner og salte . . . . . . . .

. . . . . .

. 7 12 14 16 18 20 27 28 34

39 . . . . . .

. . . . . .

41 42 46 51 55 59

Kalk – i jorden, i vandet og i kroppen . . . . . . . . . . 63 (3.1) (3.2) (3.3) (3.4) (3.5) (3.6) (3.7)

Kalk – kemisk set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hvor kommer kalken fra? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anvendelser af kalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Letopløselige og tungtopløselige salte . . . . . . . . . . . . . . . . . Syrer og baser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Når kalk opløses i vand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalk i kroppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

65 67 68 72 76 85 93

Mængder og masser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 (4.1) (4.2) (4.3) (4.4) (4.5) (4.6) (4.7)

Stofmængde . . . . . . . . . . . . . . . . Atommasse, molekylmasse, formelmasse . Molar masse . . . . . . . . . . . . . . . . Masse, stofmængde og molar masse . . . Beregninger på kemiske reaktioner . . . . Gassers molare rumfang . . . . . . . . . . Stofmængdeenheden mol . . . . . . . . .

. . . . . . .

96 100 105 107 110 116 119

5 6 7 8 9

Kemisk binding – sådan hænger det hele sammen . 121 (5.1) (5.2) (5.3) (5.4) (5.5) (5.6) (5.7)

Kemisk binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektronparbinding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Molekylers form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polære elektronparbindinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Faseovergange og intermolekylære bindinger . . . . . . . . . . . . . Vand og andre opløsningsmidler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Overfladespænding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

122 123 128 132 134 136 139

Carbonhydrider – fra råolie til plasticposer . . . . . . 141 (6.1) (6.2) (6.3) (6.4) (6.5) (6.6) (6.7)

Olie og naturgas . . . . . . . . . . . . . . . . Olie og gas – kemisk set . . . . . . . . . . . . Isomeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Carbonhydrider – formler og navne . . . . . . Olieraffinaderiet . . . . . . . . . . . . . . . . . Benzin – et højteknologisk produkt . . . . . . Fossile brændstoffer og globale miljøforhold .

. . . . . . .

143 146 147 148 154 158 162

Møntmetallerne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 (7.1) (7.2) (7.3) (7.4) (7.5) (7.6) (7.7) (7.8)

Møntmetallerne: kobber, sølv og guld . . . . . . . . . . . . . . . . . Metallers egenskaber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Metaller og metalioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kobberfremstilling – oxidation og reduktion . . . . . . . . . . . . . . Spændingsrækken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Galvaniske elementer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Reaktionsskemaer for redoxreaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . Guldudvinding – kemi, teknologi, miljø . . . . . . . . . . . . . . . . .

167 169 171 173 177 182 184 192

Kemiske analyser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 (8.1) (8.2) (8.3) (8.4) (8.5)

Blandinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Koncentrationsmål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stofmængdekoncentration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . pH – måling og beregning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Titrering – en metode til koncentrationsmåling . . . . . . . . . . . .

197 198 202 207 213

Sød kemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 (9.1) (9.2) (9.3) (9.4) (9.5) (9.6) (9.7)

Sukkerstoffer – kulhydrater – saccharider . . . . . . . . . . . . . . . Glucose og andre monosaccharider . . . . . . . . . . . . . . . . . . Disaccharider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sukkerfabrikken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Polysaccharider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kulhydratstofskiftet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Den søde forbindelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

221 222 224 227 228 231 235

Forord Aurum – kemi for gymnasiet 1 er første del af et lærebogssystem der er udarbejdet til den almengymnasiale kemiundervisning efter 2005-reformen. Materialerne i Aurum 1 dækker første års undervisning uanset om slutniveauet er C, B eller A og kan både anvendes i gymnasiet og på hf. Til C-niveauet dækker materialet hele kernestoffet og indeholder desuden mange forskellige bud på supplerende stof. I Aurum 1 er behandlingen af det faglige kernestof i høj grad integreret i tematiske forløb, der viser hvordan faglig kemisk viden kan give indsigt i mangfoldige fænomener. Grundbogen indeholder ni kapitler hvoraf de fem er struktureret om et tema. Vi har dog tilstræbt at gøre organiseringen af lærestoffet så fleksibel at det er muligt – hvis man måtte ønske det – at arbejde med kernestoffet i disse kapitler uden at det behøver foregå i den tematiske sammenhæng, således at kapitlets tema blot bliver en perspektivering af kernestoffet. På denne måde kan Aurum 1 anvendes i kemiundervisningen uden at man behøver arbejde sig igennem samtlige temaer, og den faglige bredde og dybde gør det muligt at sammensætte mange forskellige undervisningsforløb med udgangspunkt i materialet. I tilknytning til grundbogen er udgivet en lærermappe, der indeholder kopiforlæg (i form af pdf-filer) til arbejdsark, demonstrationsforsøg og eleveksperimenter. Lærermappen indeholder desuden en vejledning med kommentarer og praktiske anvisninger til de enkelte eksperimenter, ligesom mappen indeholder en generel lærervejledning til arbejdet med Aurum 1. I Aurum – Kemi for gymnasiet følges IUPACs anbefalinger vedrørende nomenklatur og begrebsdefinitioner således som de er udmøntet i ”Compendium of Chemical Terminology (The Golden Book)” (IUPAC, 2. udgave, 1997, med efterfølgende opdateringer på www.iupac.org), i ”Quantities, Units and Symbols in Physical Chemistry (The Green Book” (IUPAC, 2. udgave, 1993 samt den provisoriske 3. udgave, 2005) samt – i dansk version – i Kemisk Ordbog (2. udgave, 2005). Vi ønsker at takke kemiingeniør Anne-Katrine Ipsen, Statoil, for kritisk gennemgang af kapitlet om petrokemi. Ligeledes takker vi cand. scient. Vibeke Bugge Kristiansen for omhyggelig gennemlæsning og kommentering af de foreløbige udgaver af manuskriptet. MARTS 2006

Kim Rongsted Kristiansen Gunnar Cederberg

4 FORORD

Grundstoffer og kemiske forbindelser

5 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

Billedet herover viser overfladen af en krystal af stoffet molybdensulfid. Billedet er optaget med en særlig mikroskopteknik, der gør det muligt at se omridset af de enkelte atomer; hver ”bule” på billedet svarer til et atom. Alle stoffer er opbygget af atomer, og atomerne er −10 ekstremt små, omkring 10 m (= 0,0000000001 m) i diameter. Ordet atom kommer af det græske atomos, der betyder udelelig. Indtil for lidt over 100 år siden troede man nemlig at atomer ikke kunne deles i mindre partikler. I dag ved vi at det ikke er sandt, og forståelsen af hvordan atomer er opbygget har vist sig at være af central betydning for forståelsen af stoffers kemiske egenskaber. I dette kapitel skal vi følge udviklingen der ledte til opklaringen af atomets opbygning, og vi skal især beskæftige os med de stoffer vi kalder grundstoffer; en beretning der fører os fra fjerne stjerner hele vejen ind i vor egen krop. Grundstofferne er byggestenene for alle andre stoffer, så det giver god mening at starte rejsen ind i kemiens verden med disse stoffer.

6 K APITEL 1

(1.1) Grundstoffer Grundstoffer er stoffer hvis mindste bestanddele er opbygget af ens atomer. Hvert grundstof har et navn og et atomsymbol, der fortæller hvilken slags atom det er opbygget af. Navnet kan være forskelligt på forskellige sprog, men atomsymbolet er internationalt og bruges overalt i verden. Atomsymbolet består af et eller to bogstaver. Det første bogstav skrives altid med stort og er det første bogstav i grundstoffets græske eller latinske navn. Hvis der er to bogstaver i symbolet, er det andet bogstav altid skrevet med småt og er et af de efterfølgende bogstaver i grundstoffets latinske navn. Nogle eksempler på grundstofnavne og atomsymboler er vist i tabellen herunder. Atomsymbol

Latinsk navn

Oxygen

Ferrum

Argentum

Dansk navn

Ilt (eller oxygen)

Jern

Sølv

Engelsk navn

Oxygen

Iron

Silver

Tysk navn

Sauerstoff

Eisen

Silber

Fransk navn

Oxygène

Fer

Argent

Det var den svenske kemiker Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) der indførte atomsymbolerne i 1813 og dermed grundlagde det moderne kemiske formelsprog. Han opdagede grundstofferne cerium, selen og thorium og bidrog på mange andre måder afgørende til udviklingen af den moderne kemi.

Det er vigtigt at du straks lærer atomsymbolerne for nogle af de mest almindelige grundstoffer (jf. arbejdsark 1). For at løse de to følgende opgaver, 1.1 og 1.2, har I brug for adgang til opslagsværker og internettet. Hvis I vil bruge en engelsksproget søgemaskine har I brug for at vide at det engelske ord for grundstof er element.

7 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

O p ga v e 1 . 1 Grundstoffernes navne er fx dannet ud fra nav-

c) Find navnene på følgende grundstoffer:

net på et land eller en by. I et enkelt tilfælde er

Cl, Br, Cr, P, Os og Rb. Hvad betyder disse

det også gået den anden vej.

navne?

a) Et sydamerikansk land var tidligere så be-

d) Find navnene på følgende grundstoffer: Cm,

rømt for store sølvrigdomme at landet blev

No, Es, Md og Bh. Hvilke personer er grund-

opkaldt efter metallet. Hvilket land drejer det

stofferne opkaldt efter? Find nogle oplys-

sig om?

ninger om disse personers videnskabelige bidrag.

b) Find navnene på følgende grundstoffer: Sc, Eu, Am, Yb, Hf og Cu. Hvilke geografiske

En række af grundstofferne er opkaldt efter

steder er disse seks grundstoffer opkaldt

himmellegemer.

efter? e) Find navnene på følgende grundstoffer: He, Et grundstof kan også have fået sit navn efter

Np, Pu, Se, Te og U. Hvilke himmellegemer

en egenskab ved stoffet, eller være opkaldt

har givet navn til grundstofferne?

efter en betydningsfuld videnskabsmand (eller -kvinde).

O p ga v e 1 . 2 En række grundstoffer har været kendt siden

b) Ingen af oldtidsmetallerne har atomsymbo-

oldtiden. Man har vidnesbyrd om at guld og

ler der svarer til de danske navne. Find ud af

kobber i hvert fald har været kendt i over 7000

hvilke (græske/latinske) navne symbolerne

år. Fem andre metaller var også kendt i oldti-

kommer af – og hvad disse navne betyder.

den, og omkring vor tidsregnings begyndelse blev de syv metaller knyttet til de syv bevæge-

c) Hvad hedder kviksølv på engelsk?

lige himmellegemer man dengang kendte. d) Jern er knyttet til planeten Mars og dermed a) Angiv de moderne atomsymboler for hvert

den romerske gud af samme navn. Hvad var

af de syv metaller.

Mars gud for? Er der mon en god grund til at forbinde jern med denne gud?

8 K APITEL 1

Guld

Sølv

Kviksølv

Kobber

Jern

Tin

Bly

Sol

Måne

Merkur

Venus

Mars

Jupiter

Saturn

Oxygen – et grundstof der optræder i to former Lidt over en femtedel af den atmosfæriske luft består af oxygen – i daglig tale ofte kaldet ilt. Stoffet er altafgørende for at der eksisterer liv på Jorden som vi kender det i dag. Den mindste bestanddel af luftens oxygen er et enkelt oxygenmolekyle. Et sådant molekyle er opbygget af to oxygenatomer, der er bundet sammen. Derfor bør vi mere præcist bruge navnet dioxygen om stoffet. ”Di” er det græske talord for to, og fortæller altså at der er to oxygenatomer i hvert molekyle. Vi kan bruge atomsymbolet for oxygen til at skrive en kemisk formel for dioxygenmolekylet på følgende måde:

Vi bruger også formlen om en større portion af stoffet, som sagtens kan bestå af mange billiarder oxygenmolekyler. Pas altså på – skrivemåden O2 bruges i to betydninger: 1. for at angive det enkelte dioxygenmolekyle. 2. som formel for stoffet dioxygen (dvs. den gas der blandt andet findes i luften). Ud fra sammenhængen må det fremgå om det er den ene eller anden betydning der er relevant i en given situation – men det er meget vigtigt at man gør det klart for sig selv hvilken betydning der bruges: er der tale om det enkelte molekyle eller om en større portion af stoffet? Der findes også en anden form af grundstoffet oxygen. I daglig tale kaldes den ozon. Denne form består af molekyler der hver især er opbygget af tre oxygenatomer. Vi kan skrive den kemiske formel for ozon på følgende måde:

Strengt taget bør man kalde stoffet for trioxygen, hvor ”tri” er det græske ord for tallet tre, men navnet ozon er så almindeligt brugt at vi også vil gøre det her. I de seneste årtier har der været megen opmærksomhed rettet mod det såkaldte ozonlag. Ozonlaget er et område ca. 20 km oppe i atmosfæren hvor der findes en vis mængde af stoffet blandet med de øvrige gasser i atmosfæren. Ozon er af afgørende betydning for livet på Jorden. Stoffet bremser nemlig en stor del af den skadelige

9 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

ultraviolette stråling fra solen. Desværre er der meget der tyder på at ozonlaget bliver nedbrudt af de såkaldte CFC-gasser, der siden 1930’erne har været brugt som drivmiddel i spraydåser, i køleskabe og i forskellige plastprodukter. Nedbrydningen er en kemisk reaktion hvor ozon omdannes til dioxygen. Vi kan beskrive omdannelsen ved hjælp af et reaktionsskema:

2 O3 → 3 O2

I midten af 1980’erne opdagede man ligefrem huller i ozonlaget over Antarktis, og man har siden konstateret at nedbrydningen af ozonlaget sker meget hurtigt. Heldigvis har man i mange lande verden over forbudt brugen af CFC-gasser, men stofferne er meget holdbare, og de CFC-gasser der allerede findes i atmosfæren vil antagelig kunne gøre skade i flere hundrede år endnu, så det vil vare mange år inden ozonlaget er gendannet. I mellemtiden må vi blandt andet være forberedt på et voksende antal tilfælde af hudkræft som følge af den øgede mængde farlig ultraviolet stråling der når Jorden.

O p ga v e 1 . 3 Hvorfor står der mon 2 foran O3 og 3 foran O2 i reaktionsskemaet ovenfor?

Farveskalaen viser ozonkoncentrationen i atmosfæren over Antarktisk i efteråret 2004. Ozonkoncentrationen måles i en særlig enhed der kaldes Dobson Unit, DU.

10 K APITEL 1

Dobson Units 125

280

435

Grundstoffet carbon: Diamanter, blyanter, fodbolde og små rør Grundstoffet carbon (kulstof) har været kendt siden oldtiden. I mange år har man vidst at carbon eksisterede i to vidt forskellige former, nemlig grafit og diamant. Begge former er opbygget af molekyler der indeholder ekstremt mange carbonatomer, men carbonatomerne er bundet til hinanden på forskellige måder i de to stoffer. Og det alene giver anledning til den meget store forskel på de to stoffer. Grafit er et gråligt, meget blødt stof. Det bruges fx som stifter i blyanter, hvor man netop udnytter stoffets blødhed til at skrive med: Når blyanten trykkes ned mod papiret, brækker bittesmå flager af grafitten og sætter sig på papiret. Navnet grafit kommer af det græske ord graphein der betyder ”at skrive”. Diamant er et af de hårdeste stoffer man kender. Det udnytter glarmesteren når han bruger en diamantspids til at skære glas med. En diamant kan slibes til en smuk, klar smykkesten. Når lyset går gennem diamanten, brydes det kraftigt og giver et fantastisk farvespil. Temmelig overraskende var det at man i 1985 opdagede en ny form af grundstoffet carbon. Denne nye form består af molekyler der hver indeholder 60 carbonatomer bundet sammen så molekylet ligner en fodbold. Snart efter fandt man også et stof bestående af C70-molekyler. Figuren herunder viser en model af C60-molekylet. Hver kugle symboliserer et carbonatom. Model af C60 -molekylet, en molekylær fodbold.

11 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

Det viste sig siden hen at det faktisk er ret let at fremstille C60 i laboratoriet, og det allernyeste er at man har fundet stoffet i naturlige mineraler her på jorden. Så selvom vi kun har kendt C60 i et par årtier, har stoffet måske eksisteret på Jorden i milliarder af år. Siden opdagelsen har forskere verden over undersøgt C60 meget omhyggeligt. I fremtiden vil vi måske se praktiske anvendelser af denne form af grundstoffet carbon. I øjeblikket undersøger man blandt andet om sådanne stoffer kan bruges som udgangspunkt for fremstillingen af nye lægemidler. Inspireret af opdagelsen af C60-molekylet har forskere i dag fremstillet helt nye former af grundstoffet carbon, nemlig de såkaldte carbon-nanorør. Her er der tale om rørformede molekyler opbygget af carbonatomer. Rørene er ganske små, ikke mere end ca. 10 nano−9 meter (1 nm = 10 m = 0,000000001 m) i diameter. Fibre fremstillet af carbon-nanorør er de stærkeste man overhovedet kender. En fiber med en diameter på et par mm kan bære vægten af en stor lastvogn (ca. 10 ton). Desuden har nanorørene nogle interessante elektriske egenskaber, så måske bliver de i fremtiden grundlaget for verdens mindste elektroniske komponenter. Model af carbonnarør En model af et carbonnanorør. Røret er ca. 10 nm = 0,00000001 m i diameter og kan være op til nogle tusindedele af en millimeter i længden. Hver kugle symboliserer et carbonatom.

(1.2) Vand – en kemisk forbindelse Stoffer der er opbygget af forskellige slags atomer kaldes for kemiske forbindelser. Vand er et eksempel på en kemisk forbindelse. Den mindste bestanddel af stoffet vand er et vandmolekyle. Et enkelt vandmolekyle er opbygget af to hydrogenatomer og et oxygenatom. Ved hjælp af atomsymbolerne kan vi skrive den kemiske formel for vandmolekylet på følgende måde:

12 K APITEL 1

H 2O

Det er muligt at danne den kemiske forbindelse vand ved at lade grundstofferne dihydrogen og dioxygen reagere med hinanden. Vi kan beskrive reaktionen med et reaktionsskema:

2 H2 + O2 → 2 H2O

Det er også muligt at gennemføre den modsatte reaktion: I et elektrolyseapparat kan man ved hjælp af elektrisk strøm spalte den kemiske forbindelse vand til grundstofferne dihydrogen og dioxygen:

2 H2O → 2 H2 + O2

Både dihydrogen og dioxygen er gasser, der i elektrolyseapparatet på fotografiet til højre opsamles i de omvendte reagensglas.

Mikroniveau og makroniveau

Vandspaltning i et elektrolyseapparat. Hvilket glas indeholder mon hvilken gas?

Det er helt almindeligt at vi i kemien arbejder på to niveauer:

• et mikroniveau, hvor vi betragter de enkelte atomer og molekyler, og fx interesserer os for hvordan atomerne er bundet sammen i molekyler. • et makroniveau, hvor vi betragter stoffernes egenskaber og de kemiske reaktioner de indgår i. I laboratoriet eksperimenterer vi med stofferne og gør os dermed erfaringer om deres egenskaber på makroniveauet. Fx konstaterer vi at væsken vand kan omdannes til gasserne dihydrogen og dioxygen i et elektrolyseapparat. Når vi skal beskrive mikroniveauet benytter vi modeller. Vi kan ikke direkte se de enkelte molekyler, men vi kan lave modeller, hvor vi fx tegner atomerne som kugler, og giver forskellige slags atomer forskellige farver. Tegningen herunder viser en model på mikroniveau af reaktionen hvor vand spaltes i dihydrogen og dioxygen; de hvide kugler symboliserer hydrogenatomer, og de røde symboliserer oxygenatomerne:

+ 2 H 2O

2 H2

13 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

De kemiske formler bruger vi både til at beskrive mikro- og makroniveauet. Vi bruger formlen H2O på mikroniveauet til at beskrive et enkelt vandmolekyle, men vi bruger også formlen på makroniveauet til at beskrive stoffet vand, hvor selv en ganske lille vanddråbe indeholder over en million billiarder vandmolekyler. Det er vigtigt, at man gør sig klart om en formel i en given sammenhæng refererer til mikro- eller makroniveauet.

(1.3) Flere kemiske forbindelser Sukker Almindeligt sukker har formlen C12H22O11. Der er altså tale om en kemisk forbindelse opbygget af grundstofferne carbon, hydrogen og oxygen. Den mindste bestanddel af stoffet sukker er et sukkermolekyle. Af formlen kan vi se at et sukkermolekyle er opbygget af 12 carbonatomer, 22 hydrogenatomer og 11 oxygenatomer.

O p ga v e 1 . 4 Sukker er et eksempel på et af de stoffer vi i daglig tale kalder for kulhydrat. Den sidste del af ordet, hydrat, betyder vand (af græsk hydor). Prøv at forklare betegnelsen kulhydrat ud fra formlen for sukker.

Hydrogenperoxid og catalase Stoffet hydrogenperoxid har formlen H2O2. I daglig tale kaldes stoffet for brintoverilte. Vi kan beskrive hydrogenperoxid på mikroniveauet, idet vi af formlen kan se at et hydrogenperoxidmolekyle er opbygget af to hydrogenatomer og to oxygenatomer. På makroniveauet kan vi beskrive hydrogenperoxids egenskaber: I ren form er der tale om et meget ustabilt stof, der ved kontakt med blot et enkelt støvkorn kan eksplodere voldsomt. Derfor bruger man normalt altid en opløsning af stoffet i vand til praktiske formål. I den vandige opløsning er hydrogenperoxid stadigt ustabilt, men reagerer dog mere fredsommeligt. Hydrogenperoxid omdannes ved en kemisk reaktion til vand og di oxygen. Vi kan beskrive omdannelsen ved et reaktionsskema:

14 K APITEL 1

2 H2O2 → 2 H2O + O2

På mikroniveauet kan vi tegne modeller der viser omdannelsen:

2 H 2O 2

2 H 2O

På apoteket kan man købe en flaske ”3 % brintoverilte”; det er en opløsning der består af 3 % hydrogenperoxid og 97 % vand. Man bruger opløsningen til desinfektion af rifter og småsår, idet man udnytter at det dioxygen, der dannes ved spaltningen af hydrogenperoxid, dræber bakterier i såret. Selvom hydrogenperoxid er et ustabilt stof, kan den tynde brintoverilteopløsning holde sig i lang tid. Men når hydrogenperoxid kommer i kontakt med blod sættes der gang i spaltningen af stoffet. Blodet indeholder nemlig et stof der påvirker omdannelsen af hydrogenperoxid så reaktionen sker hurtigere. Stoffet hedder catalase og er et eksempel på et enzym. Enzymer er stoffer der får kemiske reaktioner til at forløbe i levende organismer. I levende organismer finder man mange eksempler på komplicerede kemiske forbindelser, hvis molekyler kan være opbygget af rigtig mange atomer. Enzymet catalase er et godt eksempel. Et enkelt catalasemolekyle består af omkring 18000 atomer.

Figuren viser en computermodel af et catalasemolekyles opbygning. Hver kugle svarer til et atom.

O p ga v e 1 . 5 Stoffet capsaicin findes i chilipeber og er med

b) Hvor mange

til at give den stærke smag. Capsaicin har

atomer er der

formlen C18H27O3N.

i alt i et capsaicin

a) Hvor mange forskellige atomer findes i et

molekyle?

capsaicinmolekyle?

15 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

O p ga v e 1 . 6 a) Et svovlsyremolekyle er opbygget af to hy-

c) Saccharin er et kunstigt sødemiddel. Det

drogenatomer, et svovlatom og fire oxygen

smager ca. 500 gange så sødt som almin-

atomer. Skriv formlen for svovlsyre.

deligt sukker, men har en lidt bitter eftersmag. Et saccharinmolekyle er opbygget

b) Quinin er et bittert stof, der blandt andet

af syv carbonatomer, fem hydrogenatomer,

findes i tonicvand, og som i mange år har

tre oxygenatomer, et nitrogenatom og et

været anvendt som et middel mod tropesyg-

svovlatom. Skriv formlen for saccharin.

dommen malaria. Quininmolekylet er opbygget af 20 carbonatomer, 24 hydrogenatomer, to oxygenatomer og to nitrogenatomer. Skriv formlen for quinin.

(1.4) Formler og navne I de kemiske formler skrives grundstoffernes atomsymboler i en bestemt rækkefølge. For nogle af grundstofferne er denne rækkefølge

Ifølge denne række skriver vi formlen for vand så H står før O, dvs H2O – ikke OH2. Ud fra formlerne kan vi danne navne for de kemiske forbindelser. I kemien søger man altid at give stofferne entydige navne, dvs. hvert stof har sit navn. Samtidig er det praktisk hvis navnet fortæller præcist hvordan stoffet er opbygget. For kemiske forbindelser, hvis molekyler er opbygget af to grundstoffer, dannes navnet på følgende måde: Man nævner de to grundstoffer stoffet er opbygget af i samme rækkefølge som de står i formlen. For at angive at der er tale om en forbindelse af de to stoffer, føjes endelsen -id til navnet. Eksempel Stoffet HCl har navnet hydrogenchlorid, dvs. hydrogen + chlor + id. Undertiden forkortes det sidste grundstofnavn, når endelsen –id sættes på. Fx bliver oxygen + id til oxid.

16 K APITEL 1

Eksempel Stoffet CO2 har det systematiske navn carbondioxid, dvs carbon + di + ox(ygen) + id, hvor ”di” er det græske talord for to, som bruges til at angive at et carbondioxidmolekyle indeholder to oxygenatomer, præcis som formlen viser. De ”kemiske talord” er baseret på de græske og latinske talord. Talordene fra 1 til 10 er angivet i tabellen herunder. Disse bør man lære udenad – hvilket ikke er spor svært; adskillige af dem går igen i kendte danske og engelske ord, tænk fx på monolog, triangel, pentagon, octopus, oktav. 1

mono

tri

tetra

penta

hexa

hepta

octa

nona

deca

Betegnelsen ”mono” bruges kun i særlige tilfælde, hvor man ønsker at fremhæve ettallet. Fx kan man kalde forbindelsen CO for carbonoxid, men man kan også vælge at kalde den for carbonmonoxid for at fremhæve at det er CO, og ikke CO2 – carbondioxid, man taler om. Nogle få grundstoffer har både særlige danske navne og internationale navne. Forbindelsen SO2 hedder svovldioxid, mens forbindelsen H2S hedder dihydrogensulfid. Man bruger altså det danske navn ”svovl”, når S skal nævnes først i navnet men det internationale navn ”sulfur”, når S skal nævnes sidst i navnet og derfor have endelsen –id: sulf(ur) + id = sulfid.

O p ga v e 1 . 7 Opskriv formlerne for følgende kemiske forbin-

d) Svovltetrachlorid

delser: e) Carbondisulfid a) Nitrogendioxid f) Carbonmonosulfid b) Dinitrogenoxid g) Tetraphosphordecaoxid c) Iodtrichlorid

17 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

O p ga v e 1 . 8 Opskriv navne for forbindelserne der har følgende formler: HI NO N2O5 PBr3 SO3

SF6

P4S7

(1.5) Kemiske reaktioner I de foregående afsnit har vi mødt et par eksempler på kemiske reaktioner. En kemisk reaktion er en proces hvor et eller flere stoffer omdannes til et eller flere andre stoffer Det kan fx være to grundstoffer der reagerer med hinanden og danner en kemisk forbindelse, eller det kan være kemiske forbindelser der omdannes til andre kemiske forbindelser. Man kan naturligvis beskrive en kemisk reaktion ved med ord at fortælle hvilke stoffer der omdannes, og hvilke stoffer de bliver til. Normalt vil man dog foretrække at bruge de kemiske formler og beskrive reaktionen ved hjælp af et reaktionsskema. I reaktionsskemaet symboliserer man omdannelsen af stofferne ved hjælp af en pil, kaldet reaktionspilen. Til venstre for pilen skriver man formlerne for udgangsstofferne, kaldet reaktanterne. Til højre for pilen skriver man formlerne for de stoffer der dannes ved reaktionen, kaldet produkterne. Ved en kemisk reaktion vil det altid gælde at antallet af hver slags atom er det samme før og efter reaktionen. Der kan ikke dannes nye atomer ved den kemiske reaktion, og atomerne forsvinder heller aldrig ud i det blå eller opstår af ingenting. I reaktionsskemaet viser vi at atomerne er bevaret ved at sætte koefficienter foran formlerne, således at der er lige mange af hver slags atomer på venstre og højre side af reaktionspilen. Det kaldes at afstemme reaktionsskemaet. Koefficent

Reaktionspil

Koefficent

2 H² + O²

2 H²O

Reaktanter

Produkter

Reaktionsskemaet er afstemt. Ved at tælle efter konstaterer man at der i alt optræder 4 H-atomer og 2 O-atomer på hver side. Når man afstemmer et reaktionsskema, foregår det altid ved at man sætter

18 K APITEL 1

koefficienter foran de kemiske formler. Man må aldrig forsøge at afstemme et reaktionsskema ved at ændre på de kemiske formler. Det kunne være fristende at afstemme reaktionsskemaet ovenfor ved at ændre formlen H2O til formlen H2O2, men så ændrer man formlen for vand til formlen for hydrogenperoxid, som jo er et helt andet stof, og dermed beskriver reaktionsskemaet en helt anden kemisk reaktion.

O p ga v e 1 . 9 Hvilke af følgende reaktionsskemaer er afstemt korrekt? a) N2 + O2 → 2 NO2 b) CH4 + O2 → CO2 + H2O c) CH4 + Br2 → CH3Br + HBr

O p ga v e 1 . 1 0 Afstem følgende reaktionsskemaer:

d) CuS + O2 → CuO + SO2

a) H2 + Cl2 → HCl

e) FeS + O2 → Fe2O3 + SO2

b) N2 + H2 → NH3

f) C3H6 + O2 → CO2 + H2O

c) C + O2 → CO

19 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

O p ga v e 1 . 1 1 Stoffet molybdensulfid, MoS2, mødte vi første gang i indledningen til dette kapitel. I naturen forekommer det som mineralet molybdenit. Man fremstiller grundstoffet molybden ud fra mineralet ved en proces der involverer to kemiske reaktioner. I første trin ophedes molybdensulfid, hvorved det reagerer med dioxygen fra luften. Herved forløber følgende kemiske reaktion:

MoS2 + O2 → MoO3 + SO2

Derpå lader man MoO3 reagere med dihydrogen hvorved grundstoffet dannes. Reaktionen forløber på følgende måde:

MoO3 + H2 → Mo + H2O

Molybden bruges sammen med jern til at fremstille meget hårdt stål. Molybdenstål anvendes

Afstem de to reaktionsskemaer.

fx i gode, dyre køkkenknive.

(1.6) Hvor kommer grundstofferne fra? I dag (2006) kender man 116 grundstoffer. Af disse forekommer de 92 i naturen, mens de resterende er kunstigt fremstillede. Der fremstilles stadig nye grundstoffer i atomfysikernes laboratorier; det vender vi tilbage til sidst i afsnittet. Blandt de naturlige grundstoffer blev de første dannet da universet endnu var ganske ungt. De fleste astronomer regner i dag med at universet blev skabt for omkring 14 milliarder år siden ved det såkaldte Big Bang, en gigantisk eksplosion med en enorm energiudvikling, der blæste partikler ud i alle retninger. Lige efter Big Bang var universet meget varmt, og i de første titusindedele af et sekund opstod de elementarpartikler som atomerne sidenhen blev dannet af. Alle atomer er opbygget af tre slags elementarpartikler: protoner, neutroner og elektroner. Disse partiklers egenskaber er sammenfattet i tabellen på næste side.

20 K APITEL 1

Elementarpartikel

Ladning

Masse

Kernepartikel?

Proton

+1e

ca. 1 u

Neutron

ca. 1 u

Elektron

−1e

ca.

1 2000

Nej

Protonens ladning er angivet som +1 e i tabellen. e er symbol for elementarladningen, som er den mindste mængde elektrisk ladning der eksisterer frit. Tilsvarende er elektronens ladning −1 e altså også en elementarladning, men hvor protonens ladning er positiv, er elektronens ladning i stedet negativ. Neutronen har ingen elektrisk ladning. Figuren herunder viser en simpel model af et heliumatom. Atomet består af en kerne, der indeholder to protoner og to neutroner, samt to elektroner der bevæger sig om kernen.

Atomkerne. Indeholder protoner og neutroner

Elektroner

På tegningen er kernens størrelse i forhold til hele atomets størrelse stærkt overdrevet. Faktisk er kernens udstrækning kun omkring en titusindedel af hele atomets udstrækning. Til gengæld er næsten hele atomets masse koncentreret i kernen, da protonerne og neutronerne begge vejer langt mere end elektronerne. I tabellen ovenfor er elementarpartiklernes masse angivet i den såkaldte atommasseenhed, forkortet u (af engelsk: atomic mass unit). Det er en meget lille enhed: −24 1 u = 1,66 ⋅ 10 g.

O p ga v e 1 . 1 2 Et typisk atom har en diameter på ca. 10

−10

mens atomkernen har en diameter på ca. 10

−14

med en ært. Hvor stort bliver hele atomet ved denne forstørrelse?

m. Forestil dig at atomet forstørres så ker-

nen bliver 1 cm i diameter, dvs. på størrelse

21 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

At der netop er tale om et heliumatom skyldes at kernen indeholder to protoner. Det er nemlig antallet af protoner i et atoms kerne der afgør hvilken slags atom der er tale om. Alle heliumatomer indeholder præcis to protoner i deres kerner. Tilsvarende indeholder alle jernatomer 26 protoner i kernen, alle guldatomer indeholder 79 protoner i kernen osv. Antallet af protoner i et atoms kerne kaldes for atomnummeret. Som symbol for atomnummeret bruges bogstavet Z. Antallet af neutroner kan derimod godt variere i atomer af det samme grundstof. Således findes der fx nogle heliumatomer med én neutron i kernen, andre heliumatomer med to neutroner og atter andre med fire neutroner i kernen. Atomer med samme antal protoner men med forskelligt antal neutroner i kernen kaldes isotoper. Vi kan angive de tre isotoper af helium ved at anføre antallet af protoner og neutroner foran atomsymbolet: Heliumatomer, der indeholder en neutron i kernen:

3 2

Heliumatomer, der indeholder to neutroner i kernen:

4 2

Heliumatomer, der indeholder fire neutroner i kernen:

6 2

Det nederste tal angiver atomnummeret. Det øverste tal angiver det samlede antal af protoner og neutroner i kernen. Dette tal kaldes også for nukleontallet, idet ordet nukleoner betyder kernepartikler og benyttes som en fælles betegnelse for protoner og neutroner. Som symbol for nukleontallet bruges bogstavet A. Nukleontallet, : Antallet af protoner og neutroner Atomnummeret, : Antallet af protoner

4 2

Da protonerne og neutronerne har omtrent samme masse, og elektronernes masse er forsvindende lille i forhold til nukleonernes, angiver nukleontallet tilnærmelsesvis også hele atomets masse. Nogle atomkerner er ustabile. Det betyder at de før eller siden, af sig selv, omdannes til andre atomkerner. Ved omdannelsen udsendes radioaktiv stråling fra atomkernen.

22 K APITEL 1

O p ga v e 1 . 1 3 Der findes tre isotoper af grundstoffet hydrogen. Formlerne er anført herunder. Som noget helt specielt for netop dette grundstof har isotoperne særlige navne.

2 1

H (deuterium)

3 1

H (tritium)

Tegn simple modeller af et atom af hver af de 1 1

H (protium)

tre isotoper.

O p ga v e 1 . 1 4 Hvor mange protoner og neutroner findes i

b) fluoratomer med nukleontallet 20 ?

atomkernen af: c) uranatomer med nukleontallet 238 ? a) calciumatomer med nukleontallet 42 ?

O p ga v e 1 . 1 5 Angiv antallet af protoner, elektroner og neutro-

c) 120 Sn 50

ner i følgende partikler: a)

63 29

118 50

137

138

O p ga v e 1 . 1 6 Tre af grundstoffet radiums isotoper indeholder henholdsvis 135, 138 og 140 neutroner. Angiv atomsymbolerne for de tre isotoper.

23 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

Øvrige grundstoffer

Helium

Hydrogen

Lagkagediagrammet viser fordelingen af antallet af atomer i universet i dag. 99,9 % udgøres af hydrogen og helium, mens de øvrige grundstoffer tilsammen kun udgør 0,1 %.

Lad os vende tilbage til universets skabelse. I de første ti minutter af universets levetid sluttede protonerne og neutronerne sig sammen til atomkerner. I første omgang blev der stort set kun dannet hydrogenog heliumkerner. Senere hen blev der dannet hydrogenog helium atomer ved at atomkernerne sluttede sig sammen med elektroner. Det skete dog først da universet var omkring 300000 år gammelt. Der blev dannet ca. 12 gange så mange hydrogenatomer som heliumatomer. Selvom der siden er dannet omkring 90 andre grundstoffer, består universet stort set stadig kun af hydrogen og helium således som diagrammet til venstre viser. Hvor kommer så alle de øvrige grundstoffer fra? Svaret er ganske enkelt: De kommer fra stjernerne! Stjerner opstår ved at kæmpemæssige gasskyer i rummet trækker sig sammen. Gasskyerne består især af hydrogen og helium. I gasskyernes indre dele bliver temperaturen så høj at atomkernerne begynder at smelte sammen. Processen kaldes en fusion. I første omgang omdannes hydrogenatomkerner til heliumatomkerner. Det er denne proces der finder sted i solen i øjeblikket, hvor temperaturen i det indre er omkring 15 millioner grader, og det er en (ganske) lille del af energien fra processen der holder os varme. Senere i stjernernes liv stiger temperaturen til omkring 100 millioner grader hvorefter nye fusionsprocesser sætter i gang: Heliumkernerne begynder at smelte sammen og danne atomkerner af tungere grundstoffer: beryllium, carbon, oxygen osv. De første trin i disse processer er vist herunder. Bemærk, der er ikke tale om kemiske reaktioner, men om atomkerneprocesser hvor grundstoffer omdannes til andre grundstoffer: 4 2

4 2

He →

8 4

4 2

8 4

Be →

12 6

Be C

I tunge stjerner kan disse fusionsprocesser fortsætte indtil der er dannet atomkerner af jern. De grundstoffer der er tungere end jern dannes ikke direkte i stjernerne. De kan kun dannes ved processer hvor der frigøres enorme mængder energi, fx ved en såkaldt supernovaeksplosion, hvor en stjerne eksploderer med en ufattelig stor kraft. Forskerne er endnu ikke fuldstændig sikre på hvordan de tunge grundstoffer i universet er blevet dannet.

24 K APITEL 1

Ørnetågen 7000 lysår herfra. I tågen dannes nye stjerner, som gennem deres ”liv” vil omdanne hydrogen til tungere grundstoffer ved fusionsprocesser.

Krabbetågen er resterne af en stjerne der eksploderede som en supernova. Eksplosionen blev observeret af kinesiske astronomer i 1054, og lysudsendelsen var så kraftig at den kunne ses i dagslys i en måned. Ved eksplosionen blev der frigjort energi nok til at danne de tungere grundstoffer.

25 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

O p ga v e 1 . 1 7 Hvilken atomkerne kan dannes ved fusion af en heliumkerne, 4 He og en oxygenkerne, 16 O? 2

Som nævnt findes der 92 grundstoffer i naturen. Af disse er to så ekstremt sjældne at de først blev fremstillet kunstigt inden man fandt dem i naturen. Grundstofferne med atomnumre større end 92 (uran) findes derimod ikke naturligt; de er alle fremstillet kunstigt i kernefysikernes laboratorier. Her bruger man enorme apparater hvor man kan skyde atomkerner mod hinanden med meget høje hastigheder. Nogle gange fører sådanne sammenstød til at de to kerner smelter sammen – fusionsprocessen igen – og bliver til en ny kerne. Det nyeste grundstof, nr. 115, der endnu ikke har fået et rigtigt navn, blev fremstillet i 2004 ved samarbejde mellem russiske og amerikanske forskerhold. Ganske få atomer af grundstoffet blev dannet ved skyde calciumatomkerner mod americiumatomkerner: 48 20

Ca +

243 95

Am →

288 115

Uup + 3 neutroner

Når forskere har fremstillet et nyt grundstof, får det i første omgang et atomsymbol der består af et bogstav for hvert ciffer i atomnummeret. Grundstof nr. 115 hedder efter dette system Uup. Det står for Un-unpentium, idet navnet er dannet af de græsk/latinske talord for 1-1-5. Senere bliver videnskabsfolk internationalt enige om et rigtigt navn. Senest har grundstof nr. 111 fået navnet roentgenium og atomsymbolet Rg (det skete i november 2004). Det er opkaldt efter den tyske fysiker William Conrad Röntgen, der opdagede røntgenstrålingen i 1895 – præcis 100 år før roentgenium blev fremstillet.

O p ga v e 1 . 1 8 Roentgenium blev fremstillet af en forskningsgruppe i Darmstadt i Tyskland ved en proces hvor en nikkelatomkerne blev skudt ind i en bismuthatomkerne. Forklar hvordan denne proces kan føre til dannelse af Rg.

26 K APITEL 1

(1.7) Grundstofferne i dig Tabellen herunder viser hvilke grundstoffer der er udgangspunktet for opbygningen af de kemiske forbindelser i os selv. Langt hovedparten udgøres af carbon, hydrogen, oxygen og nitrogen. Disse grundstoffer er byggestenene for de organiske stoffer, fx fedtstoffer og proteiner, der indgår i alle kroppens celler. I øvrigt er en stor del af kroppen vand. Grundstof

Mg, Na, Cl, S, K

Andre

% af massen

10%

23%

61%

2,6%

1,4%

1,1%

0,8%

0,1 %

Grundstoffet calcium findes i ret stor mængde i kroppen. Her indgår det i de kemiske forbindelser der opbygger knogler og tænder. Et voksent menneske på 70 kg indeholder omkring 1 kg calcium. Calciums betydning i kroppen omtales nærmere i kapitel 3. Ud over de grundstoffer der er nævnt i tabellen, indeholder kroppen kemiske forbindelser hvori en lang række andre grundstoffer indgår, bl.a. Cr, Mn, Fe, Co, Cu, Mo, B, F, Se og I. Nogle af disse stoffer findes i ekstremt små mængder i organismen, fx indeholder et voksent menneske kun omkring 0,0015 g Co. Alligevel er cobalt livsvigtigt. Det indgår i den kemiske forbindelse der i daglig tale kaldes vitamin-B12, og mangel på dette stof kan give alvorlige blodsygdomme.

Jern i kroppen Et voksent menneske indeholder omkring 5 g jern. Jern indgår i flere forskellige forbindelser i kroppen. Et eksempel er enzymet catalase, der blev omtalt i afsnit 1.3. Hvert catalasemolekyle indeholder fire jernatomer. Et andet eksempel er stoffet hemoglobin, som er det røde farvestof i blodet, der findes i de røde blodlegemer. Det er hemoglobin der i lungerne binder dioxygen, O2, fra luften når vi trækker vejret og sørger for at dioxygen bliver transporteret ud til cellerne hvor det skal bruges. Hvert hemoglobinmolekyle indeholder fire jernatomer, og dioxygenmolekylerne bindes direkte til disse jernatomer. Normalt får vi tilstrækkelig jern med kosten til at kunne vedligeholde mængden af hemoglobin i blodet. Men mister man blod, kan det være nødvendigt at supplere kosten med et dagligt jerntilskud.

27 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

(1.8) Grundstoffernes periodesystem I midten af 1800-tallet kendte man lidt over 60 grundstoffer. På det tidspunkt var en række kemikere begyndt at spekulere over om der mon var ”system i rodet”, altså om det ville være muligt at organisere grundstofferne på en eller anden systematisk måde. Et par årtier forinden havde den tyske kemiker Johann Wolfgang Döbereiner opdaget at der blandt grundstofferne fandtes flere grupper à tre stoffer hvis kemiske egenskaber mindede meget om hinanden. Eksempler på sådanne grupper er:

chlor – brom – iod

calcium – strontium – barium

Döbereiner observerede at atommassen af det midterste medlem af sådan en gruppe med god tilnærmelse var lig med gennemsnittet af atommasserne af de to andre grundstoffer. For mange kemikere blev det efterhånden klart at der i rækken af kendte grundstoffer periodisk – dvs. med regelmæssige mellemrum − optrådte stoffer som kemisk set lignede hinanden meget. O p ga v e 1 . 1 9 I den moderne udgave af periodesystemet,

Kan du finde andre grupper à tre grundstoffer,

der er trykt bagerst i bogen, er atommassen

hvor atommassen af det ene grundstof omtrent

angivet nederst i feltet for hvert grundstof. Find

er gennemsnittet af de to andre grundstoffers

atommasserne for ovennævnte seks grundstof-

atommasser?

fer, og undersøg om Döbereiner havde ret.

Det var netop erkendelsen af en periodisk regelmæssighed i grundstoffernes egenskaber, der førte til at mindst seks kemikere i 1860’erne arbejdede på at opstille grundstofferne i systemer der viste denne periodiske variation. Hvad begrebet periodisk variation betyder, kan vi vise med et eksempel fra en af disse seks kemikere: Tyskeren Julius Lothar Meyer afbildede grundstoffernes atomrumfang som funktion af deres masse. Dermed fik han denne kurve:

28 K APITEL 1

Kurven viser grundstoffernes atomrumfang, dvs. rumfanget af hvert enkelt atom, afbildet som funktion af atommassen. Det er tydeligt at se en periodisk variation i kurvens forløb.

Vi kan se den periodiske variation i kurvens regelmæssige udseende, fx er der en række toppe. Fra venstre mod højre svarer toppene til grundstofferne lithium, natrium, kalium, rubidium og caesium. Disse grundstoffer, der tilsammen kaldes alkalimetallerne, ligner hinanden utroligt meget. De er alle bløde metaller (de kan fx skæres over med en almindelig kniv), de reagerer meget voldsomt med vand, de er lette og de har meget lave smeltepunkter sammenlignet med de fleste andre metaller. Det er imidlertid den russiske kemiker Dmitri Ivanovich Mendelejev der regnes for periodesystemets fader. Mendelejev arrangerede alle de kendte grundstoffer, således at stoffer der kemisk set ligner hinanden blev anbragt sammen. Visse steder i hans system var der huller, men Mendelejev hævdede at disse tomme pladser skyldtes grundstoffer man endnu ikke havde opdaget. Han stolede så meget på sit system at han endda forudsagde en række egenskaber ved disse ukendte grundstoffer. Forudsigelserne var selvfølgelig baseret på ideen om periodisk variation. Fx var der et hul i periodesystemet mellem aluminium og indium. Mendelejev påstod så at dette hul måtte skyldes et endnu ukendt grundstof, hvis egenskaber lå midt mellem aluminium og indiums egenskaber. I 1874, kun fem år efter at Mendelejev havde offentliggjort sit periodesystem, opdagede man grundstoffet gallium. Det blev hurtigt klart at gallium udfyldte hullet som det manglende grundstof mellem aluminium og indium. I skemaet på næste side er Mendelejevs forudsigelser om det ukendte grundstof vist ved siden af de faktiske egenskaber for gallium. Man må sige at Mendelejev ramte forbavsende præcist!

To af periodesystemets fædre. Øverst tyskeren Lothar Meyer (1830-1895) og under ham russeren Dmitri Ivanovich Mendelejev (1834-1907). Begge videnskabsmænd opstillede på samme tid, og uafhængigt af hinanden, grundstofferne i et periodesystem. Mendelejev var den første der offentliggjorde sit forslag. Det skete i 1869, og Meyers fulgte året efter.

29 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

Mendelejevs forudsigelser om X (det ukendte grundstof mellem Al og In)

Egenskaber for gallium, Ga

Atommasse

Ca. 68

69,7

Massefylde

5,9 g/mL

5,93 g/mL

Smeltepunkt

Lavt!

30,1°C

Formel for den kemiske forbindelse med oxygen

X 2O3

Ga2O3

Få år efter blev yderligere to huller i Mendelejevs periodesystem fyldt ud da man opdagede grundstofferne scandium og germanium. Igen passede hans forudsigelser forbavsende godt, og efterhånden blev periodesystemet generelt accepteret blandt kemikerne. Man manglende dog endnu svaret på hvorfor grundstofferne udviser den periodiske variation. Dette svar kom først i 1922, fra København. Det vender vi tilbage til i næste afsnit. Igennem tiderne er grundstoffernes periodesystem blevet opstillet på mange forskellige måder. Nu om dage benytter man næsten altid en form som den der er vist på næste side. De vandrette rækker i periodesystemet kaldes perioder. De numMendelejevs originale opstilling af grundstoffernes periodesystem, som han offentliggjorde i 1869. Der er enkelte fejl i opstillingen i forhold til en moderne udgave af periodesystemet, men få år senere offentliggjorde Mendelejev en revideret udgave af systemet hvori mange af fejlene var rettet.

30 K APITEL 1

O p ga v e 1 . 2 0 Nederst på foregående side er vist indlednin-

b) Find alkalimetallerne i Mendelejevs system.

gen til den artikel hvori Mendelejev første gang

Hvordan er de organiseret?

offentliggjorde sit periodeystem. Læs indledningen til artiklen, og besvar følgende spørgsmål:

c) Find Döbereiners „grupper à tre“ i Mendelejevs system. Hvordan er de organiseret?

a) Efter hvilket princip har Mendelejev opstillet grundstofferne?

mereres 1-7 (i hvert fald til og med grundstof nr. 118; skulle det lykkes sidenhen af fremstille nr. 119 – og det gør det sikkert – vil det blive det første grundstof i 8. periode). De lodrette rækker kaldes grupper. De nummereres 1-18. Grupperne 1-2 og 13-18 kaldes for hovedgrupperne, og grupperne 3-12 udgør undergrupperne. Endelig er der de lange undergrupper der kaldes lanthaniderne og actiniderne. De skal egentlig stå i forlængelse af hhv. grundstof nr. 57, lanthan, og nr. 89, actinium. Af typografiske grunde klipper man dem normalt ud og anbringer dem nedenfor. Stoffer i samme gruppe har generelt mange fælles egenskaber. Fx udgør stofferne i gruppe 1 de føromtalte alkalimetaller, lithium, natrium, kalium osv. 1 1. HG

Hovedgruppe 1

2 2. HG

13 3. HG

14 4. HG

15 5. HG

16 6. HG

17 7. HG

H 2

Li 3

Periode

Na 4

Undergrupper (Sidegrupper)

O S

F Cl

Ne Ar

104

10 5

10 6

10 7

108

109

110

111

112

113

114

115

116

Cs 7

Rb 6

K 5

18 8. HG

Sr Ba Ra

Actinider

Atomsymbol

Lanthanider

Grundstofnavn Atommasse/u

Atomnummer

Cu Kobber 63,552

2 8 14

1. skal 2. skal 3. skal 4. skal 5. skal 6. skal 7. skal

Tc Re

W Sg

Ru Os

Sm 94

Co Rh Ir Mt

Eu 95

pt Ds

Gd 96

Hg Uub

Tb 97

Gas (ved 20 °C, 1 bar)

Væske (ved 20 °C, 1 bar)

Halvmetal

Fast stof (ved 20 °C, 1 bar)

Ikke-metal

Kunstigt fremstillet

Metal

Ga In Tl

Uut

Ge Sn pb Uuq

100

Sb Bi

Uup

Tm 101

Se Te

Br I

Kr Xe Rn

Uuh

102

103

31 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

Gruppe 18 – Ædelgasserne Grundstofferne i gruppe 18 (= hovedgruppe 8) er alle gasser. De adskiller sig fra de øvrige grundstoffer i periodesystemet ved at de er meget uvillige til at danne kemiske forbindelser. Derfor kaldes de ædelgasser. Man kender i dag ingen eksempler på kemiske forbindelser hvori helium, neon eller argon indgår. Det er lykkedes at få krypton og xenon til at danne nogle få kemiske forbindelser, og det kunne antagelig også gøres med radon, men på grund af dette stofs kraftige radioaktivitet har ingen forsøgt derpå. I forskellige sammenhænge udnytter vi ædelgassernes kemiske inaktivitet. Således er almindelige lyspærer fyldt med argon. Når pæren er tændt, bliver glødetråden varmet op til omkring 3000 grader. Havde der været almindelig luft i pæren, ville den varme tråd straks reagere med luftens dioxygen og brænde op. Men selv ved den høje temperatur vil glødetråden ikke kunne reagere kemisk med argon, og derfor kan pæren brænde i timevis. I lysstærke pærer bruger man ofte krypton eller xenon, to andre ædelgasser. I Mendelejevs periodesystem på side 30 indgår ædelgasserne ikke. Man havde nemlig endnu ikke opdaget dem i 1869. Argon var den første ædelgas man fandt. Det er ikke så underligt da det er den af ædelgasserne der findes mest af på jorden: 1 % af den atmosfæriske lufts rumfang er argon. Da man først havde opdaget argon, fik flere kemikere den tanke at der kunne findes flere ikke-reaktionsvillige gasser, måske endda en hel gruppe. Det var selvfølgelig ideen om den periodiske variation i grundstoffernes egenskaber der lagde kimen til denne tanke. I de sidste fem år af 1800-tallet opdagede man resten af ædelsgasserne, tre af dem – Ne, Kr og Xe − blev endda fundet med få ugers mellemrum. Kort efter opdagelsen af argon forudsagde den danske kemiker Julius Thomsen i en videnskabelig artikel forekomsten af de øvrige ædelgasser, og med udgangspunkt i deres placering i periodesystemet forudsagde han at grundstofferne i ædelgasgruppen måtte have atommasser på hhv. 4, 20, 36, 84, 132, 212 og 292. Ved sammenligning med de nu kendte atommasser for stofferne i gruppe 18, kan man konstatere at Thomsens forudsigelser passede meget præcist.

32 K APITEL 1

Metaller / ikke-metaller / halvmetaller Størstedelen af grundstofferne er metaller. De metalliske grundstoffer har en række fysiske og kemiske egenskaber fælles, blandt andet er de almindeligvis gode varmeledere og gode ledere af elektrisk strøm. De kan poleres så de bliver skinnende blanke, og ved stuetemperatur er de alle – pånær kviksølv – faste stoffer. De ikke-metalliske grundstoffer er generelt dårlige ledere af varme og elektrisk strøm. Mange af ikke-metallerne er gasser ved stuetemperatur. En del er faste stoffer og et enkelt af de ikke-metalliske grundstoffer, nemlig brom, er flydende ved stuetemperatur. I kapitel 2 skal vi se på nogle vigtige forskelle mellem metaller og ikke-metallers kemiske egenskaber. I periodesystemet markerer trappelinjen grænsen mellem metaller og ikke-metaller. De grundstoffer der ligger lige omkring trappelinjen udviser ofte egenskaber der ligger mellem metallernes og ikke-metallernes egenskaber, og de kaldes derfor halvmetaller. Silicium er et karakteristisk eksempel på et halvmetal. Stoffet har en blank overflade, en egenskab der også er typisk for metaller, men siliciums elektriske ledningsevne er væsentlig mindre end metallernes. Silicium er et eksempel på en halvleder. Halvledere er grundlaget for fremstillingen af de elektroniske mikrochips der i dag findes i mange af de apparater vi bruger i hverdagen, computere, mobiltelefoner, cd-afspillere osv. Udgangspunktet for fremstillingen af de elektroniske komponenter er skiver af ultrarent silicium, som dem der er vist på fotoet til højre.

Julius Thomsen (18261909) i det kemiske auditorium på Københavns Universitet, hvor han var professor i kemi. På væggen bag ham ses hans egen opstilling af periodesystemet, som sidenhen fik tilføjet ædelgassernes atomsymboler.

Ultrarent silicium anvendes til fremstilling af elektroniske komponenter.

33 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

(1.9) Atomets opbygning og periodesystemet

Elektronens opdager, Joseph John Thomson (1856-1940) i sit laboratorium.

+ +

+ -

Thomsons atommodel, rosinbollemodellen.

Atomkernens opdager, Ernest Rutherford (18711937).

Rutherfords planetmodel af atomets opbygning.

34 K APITEL 1

Selvom ordet atom kommer af det græske ord for udelelig, har man i lidt over hundrede år vidst at atomet faktisk består af mindre bestanddele, nemlig de tre slags elementarpartikler der blev omtalt i afsnit 1.6. Elektronen blev opdaget i 1897 af den engelske fysiker J. J. Thomson. Han forestillede sig at elektronerne i et atom var fordelt som negativt ladede partikler i en positivt ladet substans, nærmest som rosiner er fordelt i en bolle. Ofte er Thomsons model blevet kaldt for rosinbollemodellen. Få år senere opdagede newzealænderen Ernest Rutherford atomkernen, dvs. han opdagede at atomets positive ladning er samlet i en kerne som kun udgør en meget lille del af atomets udstrækning, selvom næsten hele atomets masse er koncentreret i denne kerne. På baggrund af sin opdagelse opstillede Rutherford en model for atomets opbygning hvor den positive ladning var samlet i atomets kerne, mens de negativt ladede elektroner kredsede omkring kernen, omtrent som planeter kredser om solen. Der var imidlertid et ret stort problem med Rutherfords model. Et atom opbygget på denne måde kunne umuligt være stabilt. Elektronerne ville nemlig blive tiltrukket af den positivt ladede atomkerne og derfor bevæge sig ind mod den indtil de til sidst ville blive opslugt af kernen, hvilket i øvrigt ville ske på under en milliardtedel af et sekund! Løsningen på dette problem kom fra den unge danske fysiker Niels Bohr i 1913. Med sin doktorafhandling i tasken var den kun 26-årige Bohr i 1911 rejst til Cambridge for at arbejde hos Thomson. Det var imidlertid ikke noget vellykket ophold, og forholdet mellem Bohr og Thomson var ikke særlig godt. Heldigvis fik Bohr mulighed for at rejse videre til Manchester og arbejde hos Rutherford. Opholdet hos Rutherford ledte til at Bohr i 1913 fremlagde et forslag til en model af et stabilt atom. Den centrale ide i modellen var at elektronerne kun kunne befinde sig i ganske bestemte baner

omkring kernen hvor de havde bestemte energier. Bohr kaldte disse baner for stationære tilstande. I en simpel udgave af Bohrs atommodel forestiller man sig at elektronerne befinder sig i skaller. Elektronerne der har lavest energi befinder sig i den skal der er tættest på atomkernen. I denne er der plads til højst to elektroner. Skal nr. 2 er lidt længere væk fra kernen. Her er der plads til otte elektroner. Et upåvirket atom vil have så lav energi som muligt. Det opnås ved at skallerne fyldes op indefra når elektronerne fordeles. Niels Bohr (1885-1962).

Med Bohrs skalmodel kan vi illustrere opbygningen af argonatomet på følgende måde:

De 18 elektroner er fordelt i skaller på følgende måde: Skal nr. 1 – indeholder 2 elektroner Skal nr. 2 – indeholder 8 elektroner Skal nr. 3 – indeholder 8 elektroner Atomkernen Indeholder 18 protoner og et antal neutroner

I argonatomet er skal nr. 1 og 2 fyldt op. Skal nr. 3 er faktisk også fyldt op. Det er fordi det er den yderste skal i argonatomet. Det viser sig at når en skal er den yderste skal i et atom, er der højst plads til 8 elektroner i den. Tabellen herunder viser hvor mange elektroner der maksimalt kan være i hver af skallerne. Selvom der kan være mange elektroner i de ydre skaller, kender man endnu ingen eksempler på grundstoffer hvis atomer indeholder mere end 32 elektroner i en skal. Skal nr.

Antal elektroner

2⋅n2

35 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

Lad os nu se hvordan elektronerne fordeler sig i skallerne for de første 20 grundstoffer. I hydrogenatomet er der kun én elektron. Den befinder sig i skal nr. 1. Heliumatomet indeholder to elektroner, der begge befinder sig i skal nr. 1. Lithiumatomet har tre elektroner, hvoraf de to findes i skal nr. 1. Dermed er skallen fyldt op, og den tredje elektron befinder sig derfor i skal nr. 2. Berylliumatomet med fire elektroner har to elektroner i skal nr. 1 (som dermed er fyldt op) og to elektroner i skal nr. 2. Vi springer til neonatomet: Her er der i alt ti elektroner. De fordeler sig med to i skal nr. 1 og de øvrige otte i skal nr. 2. Med neonatomet er skal nr. 2 også fyldt op. For natriumatomet ser vi at dets 11 elektroner fordeler sig med to elektroner i skal nr. 1, otte elektroner i skal nr. 2 og den sidste elektron i skal nr. 3. Således kan vi fortsætte systematisk med de følgende grundstoffer. Det er gjort på tegningen herunder: +1

+12

+13

+11

+19

+14

+15

+16

+17

+10

+18

+20

Man bemærker straks at opstillingen svarer til organiseringen af grundstofferne i periodesystemet. Det ses at alle de grundstoffer der står i 1. hovedgruppe netop har én elektron i yderste skal, grundstofferne i 2. hovedgruppe har to elektroner, grundstofferne i 3. hovedgruppe (= gruppe 13) har tre elektroner osv. Det gælder helt generelt for grundstofferne i hovedgrupperne:

Hovedgruppenummeret = antallet af elektroner i yderste skal

36 K APITEL 1

1 1. HG

Hovedgruppe 1

2 2. HG

13 3. HG

14 4. HG

15 5. HG

16 6. HG

17 7. HG

Helium 4,0026 2 1

2 8 1

Kalium 39,098 37

Rubidium 85,468 55

Caesium 132,91 87

Francium [223]

2 2

2 8 8 1

2 8 18 8 1 2 8 18 18 8 1 2 8 18 32 18 8 1

Calcium 40,078 38

Strontium 87,62 56

Barium 137,33 88

Radium [226]

2 3

Bor 10,812 2 8 2

2 8 8 2

2 8 18 8 2 2 8 18 18 8 2 2 8 18 32 18 8 2

Ga Gallium 69,723 49

In Indium 114,82 81

Thallium 204,38 113

Uut

Ununtrium [284]

2 4

Carbon 12,011 2 8 3

Aluminium 26,982

Magnesium 24,305

Natrium 22,990 19

Beryllium 9,0122

Lithium 6,941 11

Hydrogen 1,0079 3

18 8. HG

2 8 18 18 3 2 8 18 32 18 3 2 8 18 32 32 18 3

Germanium 72,64 50

Sn Tin 118,71 82

Pb Bly 207, 2

2 8 4

Uuq

2 8 18 4

2 8 18 18 4 2 8 18 32 18 4

Arsen 74,922

2 8 5

2 8 18 5

2 8 18 18 Antimon 5 121,76

Bismuth 208,98

2 8 18 32 18 5

2 8 18 32 Ununpentium 32 18 [288] 5

115

Uup

2 6

Selen 78,96 52

Te llur 127,60 84

Polonium [209] 116

Uuh

Ununhexium [289]

2 7

Fluor 18,998 2 8 6

Svov l 32,066

Oxygen 15,999

Phosphor 30,974

2 8 18 32 Ununquadium 32 18 [289] 4

114

2 5

Nitrogen 14,007

Silicium 28,086 2 8 18 3

2 8 18 18 6 2 8 18 32 18 6

Br Brom 79,904 53

Iod 126,90 85

At Astat [210]

2 8

Neon 20,180 2 8 7

Chlor 35,453 2 8 18 6

2 8 8

Argon 39,948 2 8 18 7

2 8 18 18 7 2 8 18 32 18 7

Krypton 83,798 54

Xenon 131,29 86

Radon [222]

2 8 18 8

2 8 18 18 8 2 8 18 32 18 8

2 8 18 32 32 18 6

For grundstofferne i undergrupperne er forholdene noget mere komplicerede. Deres elektronfordelinger bliver ikke behandlet i denne bog. Af figuren ses også at de to grundstoffer i 1. periode kun har elektroner i skal nr. 1, grundstofferne i 2. periode har elektroner i skal nr. 1 og 2, grundstofferne i 3. periode har elektroner i skal nr. 1, 2 og 3. Det gælder generelt:

Periodenummeret = nummeret på den yderste skal der indeholder elektroner

37 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER

Det var Niels Bohr selv, der på baggrund af sin atommodel, blev klar over sammenhængen mellem periodesystemets opbygning og fordelingen af elektronerne i skaller. Hermed havde man fået en forklaring på hvorfor periodesystemet ser ud som det gør. Da Bohr opstillede periodesystemet ud fra sin model, blev det endnu ukendte grundstof nr. 72 placeret i gruppe med metallet zirkonium, Zr. Grundstoffet burde derfor have kemiske egenskaber fælles med zirkonium, og det var da nærliggende at søge efter det i zirkoniumholdige mineraler. To medarbejdere ved Bohrs institut i København fik fat i sådanne mineraler, og allerede i første forsøg fandt de det ukendte grundstof. Det fik navnet hafnium efter det latinske navn for København, Hafnia.

O p ga v e 1 . 2 1 Hvilke grundstoffer har følgende elektronfordelinger?

c) 2 elektroner i skal nr. 1 8 elektroner i skal nr. 2 8 elektroner i skal nr. 3

a) 2 elektroner i skal nr. 1 7 elektroner i skal nr. 2 b) 2 elektroner i skal nr. 1 8 elektroner i skal nr. 2 5 elektroner i skal nr. 3

O p ga v e 1 . 2 2 Find alkalimetallerne blandt grundstofatomerne på figuren på side 36. Hvad har de til fælles med hensyn til elektronfordeling? Hvad gælder der tilsvarende for ædelgasserne?

38 K APITEL 1

2 elektroner i skal nr. 4