Anvendt kemi 1, 4. udgave, 1. oplag, 2019

1

Flemming Fischer

4. udgave

Anvendt kemi H H

H H

C

C

H

C

C

H

H

H

Praxis – Nyt Teknisk Forlag

Anvendt kemi 1 Af Flemming Fischer 4. udgave, 2019 © Forfatteren og Praxis, 2010 Forlagsredaktion: Jesper Nørgaard, jno@praxis.dk Grafisk tilrettelæggelse: Dorthe Møller DTP: Stig Bing, Grapida Omslag: Stig Bing, Grapida Omslagsfoto: Colourbox Sat med: Adobe Caslon ISBN, eBog+ 978-87-571-2957-1 Varenummer: 81103-9+

Alle rettigheder ifølge gældende lov om ophavsret forbeholdes.

Kopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner, der har en aftale om kopiering med Copydan Tekst & Node, og kun inden for aftalens rammer. Se mere på www.copydan.dk

Praxis praxis.dk webshop.praxis.dk

Forord

Forord Ideen til denne bog opstod i forbindelse med gymnasiereformen i 2004. På det tidspunkt manglede der noget undervisningsmateriale til at dække de nye niveauer. Specielt HF-området, hvor jeg underviste, var forsømt, og jeg begyndte derfor at udarbejde noget supplerende materiale hertil. I de følgende år begyndte jeg tillige at undervise på HTX, og det lå lige for at udbygge og videreudvikle materialet, så det også dækkede her. HTX-verdenens meget praktisk orienterede indgangsvinkel til tingene passer fint også i forhold til HF-undervisningen, så det har været frugtbart begge veje. Gennem et par år udarbejdede jeg materialet og afprøvede det i begge de to skoleformer. I juli 2010 udkom Anvendt kemi 1.

Dette første bind dækker fagligt set det, der traditionelt kan betragtes som 1. g stof eller som HF C-niveau. Dog er især kapitlet om syrer og baser så omfattende, at det dækker hele kernestoffet på B-niveauet. I bogen har jeg forsøgt at krydre de teoretiske emner med praktiske eksempler – nogle i form af små forsøg, der kan laves i skolens laboratorium, mens andre bygger på brugen af kemi ude i den ”virkelige” verden. Bogen indeholder desuden en række cases, som er skrevet af fagfolk inden for forskellige områder, og jeg er dem tak skyldig.

Mange elever og kursister har været prøvekaniner ved udarbejdelsen af materialet. Der er kommet mange gode ideer fra jeres side, som har været med til at udvikle og præge bogen. Nogle få skal særligt nævnes: Simone, Jesper og Anne, hvis hænder og ansigter også optræder på laboratoriebillederne i de første kapitler.

I forbindelse med tilblivelsen af bogen har jeg haft god støtte fra fagkolleger på både Horsens Tekniske Gymnasium og Horsens HF & VUC. Specielt vil jeg gerne rette en stor tak til Marianne Erneberg for hendes konstruktive bidrag ved tilrettelæggelsen af bogen i startfasen. Jeg har haft en god dialog med Peter Müller, som har været hjælpsom omkring brugen af dataopsamling i forbindelse med de eksperimentelle småforsøg. I den afsluttende fase har jeg tillige fået mange gode og konstruktive kommentarer og rettelser fra Knud Ole Reffstrup på Odense Katedralskole i forbindelse med færdiggørelsen af dette første bind.

Sidst, men ikke mindst, skal der lyde en tak til min tålmodige familie, der har været en stor støtte, mens bogen er blevet til. Tak for den gode opbakning og de nysgerrige spørgsmål.

I 2. udgave fra oktober 2011 er der indført en række større og mindre rettelser af fejl og mangler, der er blevet opdaget i løbet af bogens første år i brug. I 3. udgave fra juli 2016 er de nye retningslinjer fra IUPAC indarbejdet, der blandt andet indeholder ny nomenklatur for navngivning af alkener og alkyner. Desuden er der brugt ladning i ionforbindelser med undergruppemetaller i stedet for romertal.

3

Endelig er enheden M i kapitel 1 rettet til mol/L, så den ikke bliver blandet sammen med molarmassen, M. Der ligger ekstraopgaver og facitliste i Praxis’ webshop.

Denne 4. udgave er kritisk gennemgået og redaktionelt tilrettet for småfejl, inkonsistenser og lign. Det omfatter også en større revidering i forhold til de nye læreplaner samt udmeldingen om nye begreber og navngivningsregler for både organiske og uorganiske stoffer udsendt fra Undervisningsministeriet i november 2015. I afsnittene om kemiske bindinger samt syrer og baser er der flyttet rundt på indholdet, så gennemgangen er mere logisk. Navngivningen af carbonhydrider er udvidet en smule, så molekyler, hvor dobbelt-/tripelbindinger ikke nødvendigvis er en del af længste kæde, nu også kan navngives. Endelig er bogen blevet opdateret med et lidt strammere layout.

Horsens, april 2019 Flemming Fischer

Læsevejledning



Opgaver markeret med en stjerne uden for bjælken er særligt udfordrende. De er til dig, som finder de andre opgaver lette og gerne vil videre end det.

4

Opgaver er til dig som elev.

Dem bruger du til at træne din forståelse af sprogbrug, begreber og sammenhænge.

En ting er at læse teksten – men kun hvis du anvender din viden og træner din forståelse, vil den fæstne sig og blive nyttig.

Forsøg

Nogle steder har opgaverne en lille gul seddel med ”Forsøg” skrevet øverst. Det er små forsøg, som du enten selv kan lave sammen med dine medstuderende, eller som din lærer vil vise som demonstrationsforsøg.

Case

E ks e mp e l 3 . 3

En lysegrøn bjælke markerer forklaring på brugen af et bestemt stykke udstyr eller apparatur.

Opga ve 3.1

En blå bjælke ud for teksten markerer et gennemregnet eksempel.

De står som en del af teksten, men ofte viser løsningsmetoderne for de arbejdsopgaver, der følger senere i afsnittet.

Udst. 1.6

Gennem bogen er en række elementer markeret på forskellig vis:

Gennem bogen optræder en række cases. De skal give skolekemien dens virkelige perspektiv, og de kan måske inspirere til tematiske forløb eller projektopgaver.

Indholdsoversigt

Indholdsoversigt Forord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 0 Indledning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 At beherske elementerne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 At vide noget om stoffet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Undervisningsfaget kemi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Industri, miljø og forskning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1

Kemisk mængdeberegning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Kemiske symboler og kemisk sprog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Reaktionsskemaer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Afstemning af reaktionsskemaer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Tilstandsformer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Mængdeberegninger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Stofmængder – mol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Den atomare masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Molarmasse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Beregningsskemaer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Opløsninger – molær koncentration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Fortynding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Pipette. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Formel og aktuel koncentration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Titrering. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Densitet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Andre koncentrationsangivelser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Case: Drikkevand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2

Atomer og kemisk binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Atomets opbygning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Den moderne atommodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Grundstoffernes periodesystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Isotoper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Case: Møns Klint afslører fortidens klima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Hovedgrupper og undergrupper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Metaller og ikke-metaller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Elektronerne i de yderste skaller. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5

Indholdsoversigt

Molekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Navngivning af molekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Polære og upolære stoffer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Opløselighedsregler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Elektronegavitet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Salte – ionforbindelser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Undergruppemetallerne. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Sammensatte ioner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Fældningsreaktioner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Metalbinding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Legeringer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Stoffernes tilstandsformer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Stof på fast og flydende form. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Stof på gasform. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Faseovergange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Intermolekylære kræfter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Dipol-dipolkræfter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Hydrogenbinding. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Dispersionskræfter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Case: DiMolybdænBorCarbid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3 Redox-reaktioner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Metallernes spændingsrække. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Oxidationstal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Afstemning af redoxreaktioner. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4

6

Syrer og baser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Hvad er en syre og en base? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Korresponderende syre/base-par. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Flerhydrone syrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Amfolytter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Vand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Reaktioner kan gå begge veje! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Vand – opløsningsmiddel og reaktionsdeltager. . . . . . . . . . . . . . . . 109 Stærke og ikke-stærke syrer og baser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 pH-begrebet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Måling af pH-værdier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Indikatorer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Syre/base eller sur/basisk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Indholdsoversigt

Syrens styrkekonstant (KS). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 pH-beregninger – ikke-stærke syrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Middelstærke syrer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Svage syrer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 pH i basiske opløsninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Vandige opløsninger med hydroxidforbindelser . . . . . . . . . . . . . . . 120 pOH-begrebet. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 pH i baseopløsninger generelt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Syrestyrke og pH-værdi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Syre/base-titrering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 pH-meter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Puffersystemer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 Titrering af svag syre med stærk base. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Ostwalds fortyndingslov. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Case: Det lille p i pH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 5

Organisk kemi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 Alkaner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Navngivning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 Fysiske egenskaber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Kemiske egenskaber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Case: Cracking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 Alkener . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Cis/trans-isomeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Alkener med dobbeltbinding i sidegruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Alkener med flere dobbeltbindinger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Kemiske egenskaber. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 Case: Water Cube i Beijing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Alkyner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Cycliske forbindelser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Alkoholer (specielt ethanol). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Fremstilling af ethanol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Omdannelse af ethanol til ethen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Appendiks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 Stikord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

7

Kemisk mĂŚngdeberegning

Kemi handler om de stoffer, vores verden bestür af. Hvordan de reagerer med hinanden og danner nye stoffer. Dette første kapitel handler om det sprog, vi bruger til at beskrive og beregne med, og om nogle af de apparater, vi bruger, nür vi skal have kemien til at virke i praksis.

Kemisk

mængdeberegning

Kemiske symboler og kemisk sprog Et af de vigtigste værktøjer, når man arbejder med forståelse af den kemiske verden, er grundstoffernes periodesystem. Det kan du finde i appendiks bagerst i bogen.

I en kemisk formel er antallet af forskellige grundstoffer lig med antallet af STORE bogstaver!

Et tal (subskript) forneden efter grundstofsymbolet i en kemisk formel angiver antallet af atomer af det pågældende grundstof. Et subskript efter en parentes med en gruppe atomer i angiver antallet af den slags grupper i den kemiske forbindelse.

N2

16

Hvis man kigger på periodesystemet, kan man se, at der findes en masse forskellige grundstoffer – over 100. For overskuelighedens skyld har man valgt at give mulighed for at forkorte navnene på de forskellige grundstoffer. Brugen af forkortelserne er ganske enkel: Det første bogstav er altid et stort bogstav. Skal man anvende bogstav nummer to, bliver dette altid skrevet med småt. En smart og meget enkel notation, som i 1813 blev indført af den svenske kemiker J.J. Berzelius (1779-1848).

Hvis man har en kemisk forbindelse og ønsker at gennemskue, hvor mange forskellige grundstoffer den indeholder, tæller man ganske enkelt antallet af store bogstaver (det er da til at finde ud af ).

Co 1 grundstof (cobalt) CO 2 grundstoffer (carbon og oxygen) H2O 2 grundstoffer (hydrogen og oxygen) Bemærk, at når man skriver grundstoffernes navne fuldt ud, starter de ikke med stort. Det er kun de symbolske forkortelser, der gør det. Bemærk også, at et lille tal forneden efter grundstofsymbolet (et ”subskript”) angiver antallet af atomer af det pågældende grundstof.

I kemien anvender man et symbolsk formelsprog, blandt andet fordi det ville være meget besværligt, hvis man skulle skrive grundstoffernes fulde navn, hver gang man vil beskrive en kemisk forbindelse. Lad os se på et eksempel med den symbolske skrivemåde.

r

le 3 Æb

kr 10

O p g a v e 1. 1

Eks . 1 . 2

E k s e m pe l 1 .1

Kemisk

mængdeberegning

Forbindelsen H2SO4 er opbygget af 2 hydrogenatomer (H), et svovlatom (S) og 4 oxygenatomer (O). Ialt er der anvendt 7 atomer. I stil med skiltene i supermarkedet, hvor der kan stå ”3 æbler”, kan man i kemien skrive 3H2SO4. Dette skal (som ved supermarkedsreklamen) læses som ”3 stk. af forbindelsen H2SO4”. Samlet giver det altså 6 stk. (3 ∙ 2) hydrogen, 3 stk. svovl og 12 stk. (3 ∙ 4) oxygen for dem, der vil gå et skridt videre med matematikken.

Fe(NO3)2 indeholder: 1 Fe-atom, 2 N-atomer samt 6 (2 ∙ 3) O-atomer.

Det er værd at bemærke, at 2-tallet efter parentesen gælder for alt, der står inde i parentesen. Der indgår altså to separate NO3-grupper i forbindelsen.

Angiv antallet af hvert grundstof i følgende kemiske forbindelser: a) NaOH (natriumhydroxid)

b) H 2 O 2 (hydrogenperoxid, brintoverilte) c) Mg(OH) 2 (magnesiumhydroxid) d) CuSO4 (kobbersulfat)

Reaktionsskemaer I kemien drejer meget sig om at få stoffer til at reagere med hinanden og danne nye stoffer. For at forklare, hvad der foregår ved disse omdannelser, bruger man de såkaldte reaktionsskemaer.

Brintstation i København.

17

Kemisk

mængdeberegning

Et eksempel på en reaktion er, når dihydrogen (H2 – gasarten brint) reagerer med dioxygen (O2 – gasarten ilt) og danner dihydrogenoxid (H2O), i daglig tale kaldet vand: Pilen → læses ”bliver til” eller ”giver som resultat” i et kemisk reaktionsskema. Pilen er ikke et lighedstegn, så reaktionsskemaet er ikke en ”ligning”.

+

H 2 + O2 → H 2O

→

Reaktionsskemaet ovenfor kan bruges til at fortælle – i grove træk – hvad der foregår. Vil man gå mere i dybden og forstå, i hvilket forhold stofferne reagerer med hinanden, er man nødt til at afstemme reaktionsskemaet.

Afstemning af reaktionsskemaer Hvis man ser nærmere på reaktionsskemaet, opdager man, at der på venstre side af pilen er to oxygenatomer, mens der på højre side kun er et enkelt (altså dobbelt så mange på venstre side). Det stemmer ikke. Ilt findes i naturen ikke som frie atomer, men som toatomige molekyler, så for at rette på forholdet må man sørge for, at der kommer det dobbelte antal oxygenatomer på højre side. Det kan man gøre ganske elegant. I ét vandmolekyle er der et oxygenatom, så ved at fordoble antallet af vandmolekyler opnår man to oxygenatomer:

Reaktionsskemaet er rigtigt afstemt, når der er lige så mange af hvert grundstof på den ene side af pilen som på den anden.

+ → H 2 + O 2 → 2H 2 O

På venstresiden har vi altså oxygen nok til to vandmolekyler. Men intet i denne verden er gratis (som en klog mand engang sagde), for ved at sørge for balance mellem oxygenatomerne, er der skabt ubalance mellem hydrogenatomerne. På højre side er der nu dobbelt så mange hydrogenatomer som på venstre side: 4 mod 2. Igen kan problemet løses med et 2-tal, denne gang på venstresiden foran H2:

18

2H 2 + O 2 → 2H 2 O

+

→

Kemisk

mængdeberegning

Nu stemmer regnskabet, for der er lige mange styk af hvert grundstof på begge sider af pilen: 4 H og 2 O. Man siger, at: Reaktionsskemaet er afstemt.

Reaktionsskemaet fortæller på mikroskopisk niveau, hvordan og hvor mange atomer der indgår i reaktionen. På makroskopisk niveau fortæller skemaet, hvilke mængder man skal afmåle for at få det ønskede resultat.

Den ekstra oplysning, man har fået ved det afstemte reaktionsskema, er, at man nu kan sige noget om, i hvilket forhold stofferne skal blandes (lidt i stil med en opskrift til en kage). Man kan se, at hvis man tager 2 stk. H2 og 1 stk. O2, giver de tilsammen 2 stk. H2O. Hvis man vil have 4 stk. vand, må man tage 8 stk. H2 og 4 stk. O2. Man kan sige, at forholdet mellem stofferne i reaktionsskemaet altid er det samme: I dette tilfælde indgår brint, ilt og vand i forholdet 2:1:2 (udtales 2-til-1-til-2). Tallene foran stofferne i reaktionsskemaet kaldes også koefficienter. Blandingen af 2 dele brint til 1 del ilt kaldes i øvrigt for ”knaldgas”, fordi reaktionen er ganske overordentlig voldsom, når der kommer en gnist til: Den er så kraftig, at det er brændstoffet i den amerikanske rumfærges hovedmotorer.

Tilstandsformer

Is, vand og damp – Firehole River i Yellowstone Nationalpark, USA.

De fleste stoffer kan optræde på forskellige tilstandsformer. Du kender det fra din hverdag – sikkert bedst fra vand: Uden at tænke nærmere over sagen, snakker man om is, sne og damp, som bare er vand på andre former.

Vand er sprogligt set ganske speciel, fordi man har navne for de forskellige tilstand, som vand kan optræde på. For de fleste andre stoffer har man fælles betegnelser, der hedder fast, flydende og gas.

19

Kemisk

mængdeberegning

(g) gaseous, gas (l) liquid, flydende (s) solid, fast (aq) aquaeous, i vandig opløsning

I nogle tilfælde kan man have brug for at fortælle i reaktionsskemaet, hvilken tilstandsform, stofferne befinder sig på. I så fald skriver man symboler, der angiver tilstandsformerne, i parentes efter stofferne: (s) for ”fast form”, (l) for ”flydende” og (g) for ”gas”. Disse forkortelser kommer fra engelsk: Solid, liquid, gaseous. Hvis et stof er opløst i vand, kan man skrive (aq) i parentesen.

Så kommer reaktionsskemaet ovenfor til at se således ud:

gls

Rumfærgeopsendelse . Det er hovedmotorerne, der giver vanddamp, ikke booster-raketterne.

20

2H 2 (g) + O 2 (g) → H 2 O (g)

Bemærk: Reaktionsproduktet ovenfor er vanddamp (det er en eksplosion, og der udvikles masser af varme) – men dampen kan siden fortættes til H2O (l) og fryses til H2O (s). At skrive H2O (aq) som betegnelse for flydende vand ville derimod være ”dobbelt konfekt” – og derfor forkert.

Kemisk

mængdeberegning

Mængdeberegninger Når man arbejder i praksis med atomer, molekyler og salte, kan man ikke tælle antallet af partikler. For det første er partiklerne så små, at man ikke kan se dem, og selv hvis man kunne, ville man indse, at der er tale om et så astronomisk antal, at det ikke kan lade sig gøre at tælle så langt.

I øvrigt er det med at arbejde med meget store tal (eller meget små) noget, vi helst vil undgå i vores dagligdag. Derfor bruger vi præfixer som milli- eller kilo- foran vores enheder, og vi har en række mål for forskellige antal. Når man køber æg, snakker man om ”en bakke” snarere end 30 styk. I gamle dage brugte man ”en snes” som betegnelse for 20 styk og ”et dusin” for antallet 12.

Stofmængder – mol

NA

I kemiens verden har man et tilsvarende begreb: et mol = 6,02 . 1023 stk. (mol udtales i stil med sol) Tallet kaldes Avogadro’s tal, og hvis du vil slå det op i en tabel, finder du 23 -1 det med enhed som Avogadro’s konstant, NA = 6,02 . 10 mol (enheden udtales ”per mol”).

Eks. 1.3

Stofmængde betegnes med et lille n og har enheden mol.

23 1 mol er 6,02 · 10 enheder. Stør23 -1 relsen NA = 6,02 . 10 mol kaldes for Avogadro’s konstant.

Molbegrebet er centralt i den del af kemien, som kaldes mændgeberegning.

Mængdeberegninger laves fx når man vil vide, hvor meget man skal anvende af forskellige stoffer i en kemisk reaktion, hvis man vil have en bestemt mængde af reaktionens resultat. I forbindelse med disse udregninger bliver begrebet mol opfattet som en enhed. Størrelsen, der har enheden mol, kaldes for stofmængden og forkortes med et n (lille bogstav).

Hvis man relaterer dette til reaktionen fra før: 2H 2 + O 2 → 2H 2 O kan man sige, at hvis man bruger stofmængden 2 mol H2 og lader det reagere med 1 mol O2, så kan man danne stofmængden 2 mol H2O.

Den atomare masse

Massen af et enkelt atom eller molekyle angives i enheden unit.

Der er et mol units på et gram: 1 u = 1 g/NA = 1,66·10-23 g

Man kan også regne på de enkelte atomers masser, men det er nogle meget små størrelser. Det kan man overbevise sig selv om, hvis man ser på atomer-24 nes masse i en tabel: Fx er hydrogenatomets masse 1,66 . 10 g. Masser af denne størrelse er svære at forholde sig til, og dette er en af grundene til, at man har indført en speciel masseenhed, når man arbejder med atomer.

Enheden kaldes unit og forkortes med et u. Enheden er defineret ud fra mol-begrebet: Der er et mol units på et gram, eller matematisk udtrykt: 1 g/mol

1u=

NA

21

Kemisk

mængdeberegning

Målt med denne enhed er massen af et hydrogenatom ca. lig 1 u (helt præcist 1,008 u). Det er lidt nemmere at overskue.

Et oxygenatom har massen 16,00 u, altså: 16,00 · 1,66 · 10-23 g = 26,56 · 10-23 g

Grundstoffernes

Eks. 1.4

1 I 1H Hydrogen (brint)

Lithium

Beryllium 6,941

2 2

1,0

9,0122

12 Mg

Natrium

Magnesium

2 8 1

22,990 0,9

19 K

0,8

2 8 8 2

40,078 1,0

Strontium 85,468 0,8

55 Cs

2 8 18 8 2

87,62 1,0

56 Ba

Caesium

Barium 132,91 0,8

87 Fr*

2 8 18 18 8 2

137,33 0,9

88 Ra*

Francium 2 8 18 32 18 8 1

1,2

38 Sr

Rubidium

2 8 18 18 8 1

24,305

Calcium 39,098

37 Rb 2 8 18 8 1

* Radioaktiv Stofmængden 1

20 Ca

Kalium 2 8 8 1

2 8 2

Radium 223 0,7

2 8 18 32 18 8 2

mol af et givet stof vejer altid det samme. Denne størrelse kalder man for den molare masse, der forkortes med et M. Den mo3 4 en stofkonstant, 5 6 angives 7i enheden g/mol.

8 9 lare masse er og den De enkelte IIIa IVa Va VIa VIIa VIIIa VIIIa grundstoffers molare masse kan man slå op i det periodiske system eller et 21 Sc andet tabelmateriale.

22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Jern Cobalt 2 8 9 2

44,956

2

47,867

2

50,942

2

51,996

2

54,938

2

55,845

2

58,933

2 8 18 8 1

88,906

2 8

91,224

2 8

92,907

2 8

95,94

2 8

98,906

2 8

101,07

2 8

102,91

2

178,49

2

180,95

2

183,84

2

186,21

2

190,23

2 8 18 32 14 2

192,22

8 8 8 8 8 8 For kemiske forbindelser altid finde den molare fra de 1,4 10 1,5 11 1,6 kan13man1,7 13 1,6 14 1,8masse 15 ud 1,9 2 2 1 2 2 2 molare masser for de enkelte grundstoffer. Hvis man altså ved, hvilket stof 39 Y 40 Zr 43 Tc* Ru 45 Rh man arbejder med41 ogNb kender 42 denMo kemiske formel. 44 Yttrium Zirconium Niobium Molybden Technetium Ruthenium Rhodium

Ser gang 18på stoffet carbondioxid –18 kært2,3barn 1,2 vi denne 18 1,3 1,6 18 2,2 18(kuldioxid, 1,9 18kultveilte 2,2 10 12 13 13 15 16 2 2 CO . Lad 1 os finde den 1 har mange navne), 1så ved vi, at1 formlen er molare 2 I det for77deIr enkelte 57-71masse. 72 Hf periodiske 73 Ta system74kan W man se 75 de Re molare76masser Os Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium grundstoffer: Lanthaniderne

Actiniderne

2,2

Dubnium

Seaborgium

Bohrium

Hassium

Meitnerium

M CO =(261)1 ⋅ 12,01 g/mol 2 + 2(266) ⋅ 16,00 = 244,01 2 2 (262) 2 g/mol (262) (265)g/mol 2

223

8 2 8 8 8 8 8

18 18 18 18 18 18 32 32 32 32 32 32 Når man arbejder med faste eller flydende32 stoffer, kan man simpelthen veje 32 32 32 32 32 11 12 13 14 15 stoffet 10på en vægt.

Størrelsen, man afvejer på vægten, kaldes for stoffets 2 2 2 2 2 2 masse og forkortes med et m. Enheden for denne masse er i kemien almindeligvis gram (forkortes med et g), selv om vi ellers bruger SI-enheden kg 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm* 62 Sm 63 Eu igen noget Samarium med, at vi helst Lanthan (kilogram) Cerium i naturvidenskaberne.

Praseodym NeodymDet er Promethium Europiumholder 2 138,91 2 140,12 2 140,91 2 – ikke 144,24for store 2 146,92 2 for150,36 2 151,96 talstørrelserne i nærheden af 1 og ikke små.

8 8 8 8 8 8 8 1,1

18 19 9 2

1,1

18 21 8 2

1,1

18 22 8 2

1,2

18 23 8 2

1,1

18 24 8 2

1,2

18 25 8 2

1,2

89 Ac*

90 Th*

91 Pa*

92 U*

93 Np*

94 Pu*

95 Am*

Actinium

Thorium

Protactinium

Uran

Neptunium

Plutonium

Americium

2 8 18 32 20 9 2

2 8 18 32 21 9 2

2 8 18 32 22 9 2

2 8 18 32 24 8 2

2 8 18 32 25 8 2

2 8 18 32 18 9 2

186

2,2

32 32 32 32 32

10 11 12 13 14 2 2 2 2 2 Stoffet består af to iltatomer og et carbonatom. Derfor kan den molare 89-103 104 Rf* således: 105 Db* 106 Sg* 107 Bh* 108 Hs* 109 Mt* masse beregnes

18 18 9 2

22

8 8 8 M C188 = 12,01 g/mol g/mol.188 1,3 18 1,5 og 18 M O 2,4 = 16,00 18 1,9

Rutherfordium

226,03 0,9

Symbol

1

1,5

11 Na

Nummer 47 Ag

Sølv molbegrebet, Selv om det er praktisk at arbejde med man stadig ikke Navnkan (dansk i parentes) Væske 2 107,87 Molarmasse Elektronfordeling tælle antallet af partikler, der bruges. Men problemet løses på en elegant i skallerne 188 1,9 Elektronegativitet måde: Man udnytter, at alle atomerne af et givet grundstof vejer det samme.

18 Gas

4 Be

3 Li 2 1

Molarmasse Fast

2 II

1,0079 2,1

E k se mp e l 1 . 5

1

227 1,1

2 8 18 32 18 10 2

232,04 1,3

(231) 1,5

238,03 1,4

(237) 1,4

(244) 1,3

(243) 1,1

Kemisk

Matematisk udtrykt ser sammenhængen mellem stofmængde, masse og molarmasse således ud: m

n = — ⇔ m = n . M M

Som det fremgår, er der en sammenhæng mellem de tre størrelser. Ofte kender man fx massen ud fra en afvejning og kan så finde stofmængden, hvis man lige husker at bestemme den molare masse via et tabelopslag.

På vægten kan man afveje 20,0 g vand. Hvilken stofmængde svarer dette til? Stilles tingene lidt systematisk op, kan det gøres på følgende måde: Vides: mH

2O

= 20,0 g

O p g av e 1 . 3

Opgave 1.2

M H O = 2 ⋅ 1,008 g/mol + 16,00 g/mol = 18,02 g/mol 2

Nu findes: 20,0 g nH 2O = 18,02 g/mol = 1,11mol

Opg av e 1 .4

Mm

Eksempel 1. 6

M betyder molarmasse og m betyder masse. Det er altså rigtig vigtigt at skelne mellem stort M og lille m her. Dine udtryk bliver uforståelige og dine regnestykker forkerte, hvis du bytter rundt eller bare sjusker.

mængdeberegning

Bestem den molare masse af følgende stoffer: a) NaOH (natriumhydroxid) b) MgCl2 (magnesiumchlorid) c) BaSO4 (bariumsulfat) d) Ca(OH)2 (calciumhydroxid) e) Al(NO3)3 (aluminiumnitrat) Bestem stofmængden for følgende afvejede masser: a) 17 g KNO3 (kaliumnitrat) b) 33 g CO2 (carbondioxid) c) 183 g NaCl (natriumchlorid, altså køkkensalt)

Hvor mange gram af de enkelte stoffer skal man afveje, hvis man ønsker følgende stofmængder? a) 3,71 mol H2O (vand) b) 2,1 mol CO2 (carbondioxid) c) 0,62 mol BaSO4 (bariumsulfat) 23

mængdeberegning



Opga ve 1 .5

Kemisk

Afgør, om følgende oplysninger er sande: a) 2,10 mol vand har massen 30,3 g? b) 1,10 mol ZnSO4 har massen 161,4 g? c) 33,9 g svarer til 0,77 mol CO2?

Beregningsskemaer Nu skal tingene bruges til noget praktisk! Når man fx afbrænder magnesium (Mg), sker der en reaktion mellem magnesium og luftens ilt (dioxygen, O2).

Magnesium brænder ved en overordenlig høj temperatur og derfor med en ekstremt skarp, hvid flamme. Hvis din lærer viser forsøget i klassen, må du ikke kigge direkte ind i flammen, medmindre du har svejsebriller på! Og du skal ikke give dig til at lege med det selv. Brændende magnesium er meget svært at slukke og kan give aldeles forfærdelige skader.

Ved reaktionen (forbrændingen) dannes der magnesiumoxid (MgO). Hvis man vil opskrive et reaktionsskema, vil det se ud på følgende måde: Mg + O 2 → MgO

Hvis man afstemmer reaktionsskemaet, får man: 2Mg + O 2 → 2MgO Lad os antage, at der afbrændes 0,500 g magnesium. Vi skal nu se, hvordan man dels kan udregne, hvor mange gram O2 der kræves ved forbrændingen, og dels bestemme, hvor mange gram MgO der dannes. Til dette indføres et såkaldt beregningsskema: 2Mg forhold

+

O2

→ 2MgO

2

1

2

M (g/mol)

24,31

32,00

40,31

m (g)

0,500

n (mol)

I den første linje angiver man reaktionsforholdet. Bemærk, at de anvendte tal i virkeligheden er de koefficienter, der er skrevet foran stofferne i det afstemte reaktionsskema.

I anden linje skriver man stofmængden – den venter lige et øjeblik. I tredje linje gælder det de molare masser for stofferne. Det er vigtigt at bemærke, at man ikke bruger koefficienten foran stoffet, når man udregner den molare masse (man siger, at man regner på én formelenhed). Det kan være en 24

Kemisk

mængdeberegning

god ide at udregne de molare masser, inden man afstemmer reaktionsskemaerne. På den måde undgår man at lave fejlen med koefficienterne.

I sidste linje angives massen. I det aktuelle tilfælde kendes foreløbig kun massen af Mg, derfor står der intet på de andre pladser.

Nu skal vi til at regne. Vi anvender formlen fra før og tager udgangspunkt i magnesium, hvor vi kender både masse og molarmasse. Dette gør det muligt at finde stofmængden :

nMg =

0,500 g m = = 0,02057 mol 24,31 g/mol M

Ud fra stofmængden for Mg kan vi udregne de andre stoffers stofmængde, da vi kender stoffernes reaktionsforhold. Vi kan se, at stofmængden for MgO må være den samme som for Mg, da de står i samme forhold. Der dannes altså 0,02057 mol MgO. Til processen bruges dobbelt så meget Mg som O2, hvilket er det samme, som at der kun bruges en halvt så stor stofmængde af O2 som af Mg – her vil det altså sige, at der forbruges 0,01028 mol O2. Indføres disse mængder på den tomme linje i skemaet, fås: 2Mg

+

O2

→

2MgO

forhold

2

1

2

n (mol)

0,02057

0,01028

0,02057

M (g/mol)

24,31

32,00

40,31

m (g)

0,500

Nu kan massen for de resterende stoffer bestemmes rimelig enkelt. For hvert stof kendes nu både stofmængde (n) og molarmasse (M). Ved omskrivning af formlen får man: mO2 = n . M = 0,01028 mol . 32,00 g/mol = 0,329 g På tilsvarende måde beregnes massen af den dannede MgO: 2Mg

+

O2

→ 2MgO

forhold

2

1

2

n (mol)

0,02057

0,01028

0,02057

M (g/mol)

24,31

32,00

40,31

m (g)

0,500

0,329

0,829

Nu ses det, at der kræves 0,329 g O2, og der dannes 0,829 g MgO, når der afbrændes 0,500 g Mg.

25

Kemisk

mængdeberegning

Opgave 1.6

Ved en kemisk reaktion forsvinder der ikke stof. Både den samlede masse og atomerne i de reagerende stoffer er bevaret.

Som en ekstra kontrol kan man lægge masserne sammen på hver side af pilen, og heldigvis giver dette 0,829 g på begge sider. Det skulle også helst være tilfældet, for ved en kemisk reaktion sker der i al sin enkelhed det, at nogle stoffer reagerer med hinanden og omdannes til nogle andre. Der forsvinder ikke noget stof, så derfor må massen være bevaret.

Mg

O

0,500 g

0,329 g

Methan (CH4 , naturgas) forbrænder på følgende måde: CH 4 + O 2 → CO 2 + H 2 O a) Afstem reaktionsskemaet.

Der afbrændes 80,8 g methan. Det svarer nogenlunde til den mængde, der skal bruges for at få en kedel med en liter vand i kog på et gaskomfur. b) Beregn massen af det O2 , der anvendes ved forbrændingen. c) B estem også massen af det dannede CO2 og H2O.

26

MgO

0,829 g

Opga ve 1 .7

Kemisk

mængdeberegning

Når der afbrændes fossile brændsler på de forskellige kraftværker, dannes der svovldioxid (SO2 ). Dette skyldes, at kul og olie indeholder en lille smule svovl. Ved afbrændingen reagerer svovl og ilt og danner svovldioxid. a) Opskriv reaktionsskemaet for denne proces og afstem det.

SO2 er et problem for miljøet, hvis det kommer ud i luften, fordi det kan reagere med vand og ilt og danne svovlsyre, blandt andet. Derfor renser man røgen ved at lade svovldioxid reagere med calciumhydroxid.

Ved denne proces udfældes der calciumsulfat: 2SO 2 + 2Ca(OH) 2 + O 2 → 2CaSO4 + 2H 2 O

b) Beregn massen af Ca(OH)2, som skal bruges til at binde 100 g SO2. c) Beregn massen af CaSO4 , som dannes af 100 g SO2. d) Kul indeholder 0,5-1% svovl. Find ved hjælp af nettet oplysninger om, hvor meget kul dit lokale kraftvarmeværk i gennemsnit afbrænder på en dag. Udregn herefter, hvor meget CaSO4 der dannes, hvis alt svovlet kan opsamles.

Opgave 1.8



Naturgas indeholder stort set intet svovl sammenlignet med kul. Dette skyldes først og fremmest, at det renses, inden det kommer til forbrugeren. Derfor er naturgas stort set lugtfrit, hvilket kan betragtes som et sikkerhedsproblem, da man ikke som forbruger kan lugte det, hvis man har et udslip af naturgas. Man tilsætter derfor et lugtstof (kaldes odorant). Det er en svovlforbindelse, og hvis systemet virker, som det skal, vil stoffet brænde sammen med gassen og danner da også SO2.

Men hvis stoffet slipper fri uden at blive brændt af, stinker det ganske forfærdeligt. Stoffet hedder tetrahydrothiophen, er flydende og har den kemiske formel C4H8S. Når det afbrændes, foregår følgende reaktion: C 4 H8S + 7O 2 → 4CO 2 + 4H 2 O + SO 2

I 2007 forbrugte energinet.dk i alt 62.180 L af stoffet som tilsætning til gassen i de danske naturgasledninger, hvilket gav et samlet SO2-udslip på 45.190 kg.

Opstil beregningsskemaet og beregn masserne af de øvrige stoffer i reaktionen.

27

Anvendt kemi 1 Anvendt kemi 1 er første bind i en serie til kemi C-A. Bogen dækker fortrinsvis C-niveauet og arbejder målrettet med det, der karakteriserer den anvendte kemi: De materialer, den produktion og de kemiske teknologier, der er væsentlige i det moderne samfund.

Anvendt kemi 1 behandler kemisk sprog, kemiske beregninger og kemiske forbindelser samt emnerne syre/ base-kemi, redoxprocesser og den indledende del af organisk kemi. Opgaver og eksempler er integreret i teksten, og en række cases perspektiverer kernestoffet. Bogen er skrevet i et letlæseligt sprog uden at gå på kompromis med fagligheden.

Serien er oprindeligt skrevet til det tekniske gymnasium, HTX, men er efterfølgende tilpasset de andre gymnasiale uddannelser. Forfatteren underviser på HTX samt HF (VUC) i Horsens, og materialet til bogen er testet i undervisningen på begge uddannelser.