9789162268992

Christer Engström Per Backlund Rolf Berger Helena Grennberg

Kemi A

Kemi A

tema & teori Ett läromedel som utgår från verkligheten

tema & teori

tema & teori

Kemi A Tema och Teori innehåller: • 5 temakapitel • 5 teorikapitel, ett till varje tema • rikligt med uppgifter till både tema och teori • svar till alla uppgifter

Kemi A

ISBN 91-622-6899-6

www.bonnierutbildning.se Best.nr 622-6899-6

BON NIER S

BONNIER UTBILDNING Postadress: Box 3159, 103 63 Stockholm Besöksadress: Sveavägen 56, Stockholm Hemsida: www.bonnierutbildning.se E-post: info@bonnierutbildning.se Order/Läromedelsinformation Telefon: 08-696 86 00 Telefax: 08-696 86 10

Redaktör: Lena Torbjörnson Grafisk form: Typoform, Andreas Lilius Layout: Typoform, Jan Wilhelmsson Teckningar: Typoform, Tomas Widlund Bildredaktör: Lena Nistell Bildförteckning se sidan 303 ISBN 91-622-6899-6 © 2000 och 2005 Christer Engström, Per Backlund, Helena Grennberg, Rolf Berger och Bonnier Utbildning, Stockholm © University of York Science Education Group 1994 och 2000 Salters Advanced Chemistry publicerades första gången år 1994 i Storbritannien av Heinemann Educational Publishers. Projektet genomfördes tack vare donationer från följande företag: The Salters Institute for Industrial Chemistry, The Association of the British Pharmaceutical Industry, BP Chemicals, British Steel, Esso UK, Zeneca Agrochemicals, The Royal Society of Chemistry, Shell UK. Kemikontoret, nuvarande Plast & Kemiföretagen, och Skogsindustrierna medverkade vid utarbetandet av den första upplagan av den svenska versionen.

Andra upplagan Första tryckningen Kopieringsförbud!

Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen! Kopiering, utöver lärares rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-Presskopias avtal, är förbjuden. Sådant avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner/universitet. För information om avtalet hänvisas till utbildningsanordnarens huvudman eller BONUS-Presskopia. Den som bryter mot lagen om upphovsrätt kan åtalas av allmän åklagare och dömas till böter eller fängelse i upp till två år samt bli skyldig att erlägga ersättning till upphovsman/rättsinnehavare.

Printed in Denmark by Nørhaven Book, 2005

Christer Engstrรถm Per Backlund Rolf Berger Helena Grennberg

Kemi A

TEMA & TEORI

BON NIE R U T BIL DNING

Till läsaren Utgå från verkligheten!

Denna bok är skriven för dig som ska läsa Kemi A på gymnasiet.

I kemiundervisningen har man ofta utgått från teoretiska moment, dvs. kemiska begrepp, formler och beräkningar. Tillämpningar och exempel ur verkligheten har tagits upp i anslutning till detta – alltså i andra hand. I den här läroboken utgår vi i stället från kemin i verkligheten. De exempel vi har valt finns i de fem Temakapitlen: • Grundämnen • Från mineral till grundämne • Atmosfären • Material • Bränslen

Så här arbetar du med boken: 8 TEORI

Några grundläggande begrepp sid 116 – 120

Till varje Tema hör ett Teorikapitel med de teoretiska moment som du behöver. På flera ställen i varje Tema får du hänvisningar till sidor i Teorin som du ska studera. Till både Tema och Teori finns rikligt med uppgifter. Svar till alla uppgifter finns i slutet av boken.

Boken innehåller ett omfattande material, både vad gäller faktasidor och uppgifter. Därför är det viktigt att läraren tillsammans med de studerande planerar vilka avsnitt och uppgifter som man ska arbeta med.

I kemistudierna ingår också att göra experiment; laborationer finns i en Lärarpärm.

Mycket av de grundläggande idéerna bakom bokens uppläggning i Tema och Teori kommer från det engelska materialet Salter´s A-level Chemistry.

I vår nya omarbetade upplaga av Kemi A har både text och bild genomgått en omfattande revidering och granskning. Vi tackar användande lärare och elever för synpunkter vid omarbetningen.

Vi som har arbetat med denna bok önskar dig lycka till med läsningen och med kemistudierna!

Författarna och Bonnier Utbildning

Innehåll Grundämnen t ema 1

t ema 2

Tre grundämnen i vår kropp 9 Kunskapen om grundämnen växer fram 15 Var kommer grundämnena ifrån? 22 Livets molekyler 24

Från mineral till grundämne

66

Vad är material? 67 Metaller 68 Järn rostar 74 Plaster är polymerer 78 Keramer 81 Kombinationsmaterial 87 Materialval 89

Bränslen t ema 5

44

Ett skal mot rymden 45 Kvävets kretslopp 48 Solens brännande strålar 52 Ozon 54 Växthuseffekten 59

Material t ema 4

26

Koppar är en gammal metall 28 Kemikalier från havet 37 Fotografisk kemi 42

Atmosfären t ema 3

6

92

Varifrån kommer energin? 93 Bensin 97 Från råolja till bensin 100 Avgasproblemet 105 Surt regn 108 Framtidens drivmedel? 112

teori till tema 1

teori till tema 2

Några grundläggande begrepp 116 Atomens uppbyggnad 121 Substansmängd 127 Periodiska systemet 129 Radioaktivt sönderfall 133 Kemiska bindningar 136 Oxidation och reduktion 144 Formler och beräkningar 146 Reaktionsformler 148 Att beräkna massan 150 Mer om oxidation och reduktion 152 Halogener är oxidationsmedel 156 Jonföreningar 159 Lösningars koncentration 164

teori till tema 3

Ädelgaserna 168 Malmbildarna – grupp 16 169 Kvävegruppen 172 Mer om oxidation och reduktion 175 Ljus och elektroner 179 Kolföreningar 182 Entalpi 188 Jämvikter 191

teori till tema 4

Metallframställning 194 Reaktiva metaller 198 Järn och stål 200 Övergångsmetallerna 204 Kemisk energi blir elektrisk energi 206 Molekyler 215 Omättade kolväten 221 Grundämnen i grupp 14 222 Kemisk bindning, struktur och egenskaper 225

teori till tema 5

Termokemi 230 Mer om kolföreningar 236 Entropi och energi 241 Beräkningar med gaser 244 Syror och baser 245

Uppgifter till Teoridelen 254 Svar till uppgifter i Temadelen 279 Svar till uppgifter i Teoridelen 283 Tabeller 295 Register 299 Bildförteckning 303 Periodiska systemet 304

2

te m a

2 Från mineral till grundämne

I TEORIDELEN FÅR DU LÄSA OM:

✜ Oxidation och reduktion ✜ Kemiska formler och reaktionsformler

✜ Elektrolys och spänningsserien ✜ Jonföreningar i fast form och i lösning

✜ Lösningars koncentrationer

De flesta grundämnen förekommer inte i fri form i jordskorpan utan finns i form av fasta kemiska föreningar som kallas mineral. Alla mineral har en bestämd kemisk sammansättning och också en bestämd kemisk formel. Många mineral innehåller metaller som vi vill framställa i ren form. En förutsättning för att metallframställningen ska bli ekonomiskt lönsam är att mineralen förekommer i en viss koncentration i berggrunden. När mineralen förekommer i brytvärda mängder kallas de malmer.

tema

Malakit är ett mineral som bl. a. innehåller koppar.

26

från mineral till grundämne

Pyrit (svavelkis) är ett mineral som innehåller järn och svavel.

Mineralen är oftast salter av en eller flera metaller. De kan t. ex. vara metalloxider eller metallsulfider. I en metalloxid ingår syre och i en metallsulfid ingår svavel. I tabellen nedan visas några exempel på vanliga mineral.

Sverige är ett viktigt land när det gäller att leverera malmer och metaller. Ungefär 75 % av den järnmalm som används inom EU kommer från vårt land. Drygt 30 % av kopparen kommer från svenska gruvor.

Metallframställning sker genom olika kemiska processer. För att få fram den rena metallen ur malmen måste man skilja den från andra grundämnen. Gemensamt för de flesta processerna vid metallutvinning är att de hör till ett område inom kemin som kallas redoxkemi. Redox är en sammanfattande beteckning för reduktion och oxidation.

I detta tema behandlas framställningen av koppar. Senare i boken ges exempel på andra metaller såsom järn och aluminium. Framställningen av brom från bromidjoner är ett annat exempel där man använder redoxkemi.

Mineralets namn

Mineralets kemiska formel

Stensalt

NaCl

Kopparglans

Cu2S

Hematit

Fe2O3

Magnetit

Fe3O4

Blyglans

PbS

Kopparkis

CuFeS2

Kassiterit

SnO2

Några vanliga mineral.

ÄDELSTENAR Människor har alltid använt vackra stenar som prydnad.

De har ansetts värdefulla och blivit tecken på rikedom och status. Ädelstenar är oftast mineral med speciellt utseende och färg.

När ljus träffar ett föremål absorberas vissa delar av ljuset medan andra reflekteras. En sten har grön färg om den reflekterar den del av det infallande ljuset som motsvarar grön färg. Övriga delar av ljuset absorberas.

Mineralet korund har den kemiska formeln Al2O3. I ädelstenarna safir och rubin finns låga halter av föroreningar av andra metaller som ersätter en del aluminium i korundkristallen. På grund av de låga halterna anger man inte föroreningarna i ädelstenarnas kemiska formler. När en liten mängd aluminiumjoner i korund byts ut mot andra metalljoner blir absorptionen annorlunda.

Korund har därför en annan färg än safir, som i sin tur har en annan färg än rubin. I tabellen finns några kända ädelstenar. Ädelsten

Mineral

Färg

Metall som ger färg

rubin

korund

röd

krom

safir

korund

blå

järn, titan

smaragd

beryll

grön

krom

akvamarin

beryll

blå

järn

ametist

kvarts

lila

järn

2

Diamant är högst värderad av alla ädelstenar. Den är uppbyggd av kolatomer som binder varandra med kovalenta bindningar. Diamant är det hårdaste ämne som man känner till. Den egenskapen utnyttjas i form av små diamanter i borrspetsar och skärverktyg. Den stora uppskattningen som ädelsten har diamant fått främst genom sina ljusbrytningsegenskaper som också förstärks genom speciella slipningar, t.ex. som briljant. En variant av zirkoniumdioxid säljs under namnet ”cubic zirconia” och är en ädelstensersättare.

Dess ljusbrytning liknar diamantens .

8 UPP GIF TER

1 Vad är skillnaden mellan mineral och malm?

2 Man kan säga att ädelstenar, (se rutan till höger), innehåller föroreningar. Vilken betydelse har föroreningarna?

3 Förklara orden diamant, briljant och ”cubic zirconia”.

Erik XIV:s krona tillhör de svenska riksregalierna.

8 TEORI

Oxidation och reduktion sid 144–145 27

tema

från mineral till grundämne

Koppar är en gammal metall

2

Koppar upptäcktes troligen av en tillfällighet för över 8 000 år sedan. Krukmakare fick fram kopparmetall när de råkade reducera kopparföreningar med det heta kol som de använde i sina eldar.

Koppar kan lätt bearbetas till olika former.

Med sin vackra färg och glans blev koppar en viktig metall för prydnad och smycken. Hållbarheten gjorde koppar användbar för krukor, redskap och verktyg. Upptäckten för cirka 3 000 år sedan att koppar kunde bilda en legering med tenn och ge brons – ett ännu hårdare material – gav upphov till en speciell historisk period, nämligen bronsåldern. Den inträffade vid olika tidpunkter i olika delar av världen.

Kopparmineral Kopparmineral kan bildas på flera olika sätt och i olika geologiska miljöer. Ofta bildas samtidigt mineral som innehåller järn och ibland andra mineral med zink, bly, guld och silver.

Jordens yttre lager anses vara uppdelat i ett antal ”plattor” som rör sig i förhållande till varandra. Vid gränserna mellan plattorna finns förutsättningar för att det ska kunna bildas mineral.

�������������������� ��������������

���������

Det äldsta kopparfyndet i Centraleuropa är bladet på Ismannens yxa. Ismannen, som hittades år 1991, levde för drygt 5 000 år sedan.

Plattornas rörelser och bildningen av mineral har såvitt man vet pågått från Jordens födelse och pågår fortfarande.

Om två plattor kolliderar med varandra, skjuts den ena plattan in under den andra. Detta leder till att gammal berggrund smälter och vulkanism uppkommer. Samtidigt skjuter den andra plattan i höjden och bildar bergskedjor. Beroende på vilka metaller som finns i smältorna och hur de reagerar med andra ämnen bildas olika mineral.

Ofta avsätts metallmineralen på stora djup.

När överliggande berg har nötts bort under lång tid blir det möjligt att bryta mineralen.

Kopparkis, CuFeS2, är det vanligaste kopparmineralet och dominerar bland de svenska kopparmalmerna. Andra exempel på kopparmineral är malakit (Cu2(OH)2CO3), kopparglans (Cu2S) och kuprit (Cu2O).

Koppar i äldre kulturer

tema

Mineral kan bildas när plattor kolliderar med varandra.

28

från mineral till grundämne

I tidiga civilisationer, som i Egypten och Fenicien (dvs. nuvarande Syrien och Libanon), kunde man tillgodose sina små behov av koppar genom att bearbeta de mest värdefulla fyndigheterna och reducera kopparmineralen med hett kol. Namnet koppar kommer från det latinska namnet cuprum, som anger att metallen fanns på Cypern. Man har beräknat att egyptierna bara använde 10 000

ton koppar på 1 500 år. Det kan jämföras med Sverige, där det i dag framställs mer än 200 000 ton koppar per år. Chile är det land som producerar mest koppar.

Världens största hål Vid slutet av 1800-talet ökade behovet av koppar snabbt. I ”elektricitetsåldern” blev koppar ett viktigt material för framställning av elkablar och annan materiel. De malmer som tidigare hade använts kunde inte täcka den stora efterfrågan som uppkom. Nu blev malmer med bara 0,5 %–1 % koppar intressanta. En plats där man började bryta kopparmalm trots den låga koncentrationen var i Bingham Canyon nära Salt

Lake City i USA. Den totala mängden mineral är mycket stor. Man bryter i så kallat dagbrott och gruvhålet är enormt stort. Även om kopparkoncentrationen är låg, blir brytningen lönsam genom att man effektivt kan separera kopparkisen från omgivande berg.

�������������� ���� ���� ���������

�������

��������

2

Bingham Canyon ligger i Utah, USA. Gruvhålet är 800 m djupt och diametern vid toppen är 4 km.

29

tema

från mineral till grundämne

Kopparmalm i Sverige

2

Malm är lika mycket ett ekonomiskt begrepp som ett kemiskt. Malm kan definieras som en ansamling av mineraler, som kan brytas och vidareförädlas till säljbara produkter med ekonomiskt godtagbart resultat. Om ett mineral är en malm eller inte, avgörs bl. a. av faktorer som metallpriser och kostnader för brytning och anrikning. Den viktigaste svenska kopparmalmen är kopparkis, CuFeS2. Redan på 1200-talet bröt man kopparkis i Falun och under 1600-talet var Falu gruva en av världens viktigaste kopparproducenter. Gruvan var i mitten av 1600-talet Sveriges största arbetsplats med ungefär 1000 gruvarbetare. Brytningen lades inte ned förrän i

början av 1990-talet. Från år 2001 finns gruvområdet på UNESCO:s lista över världskulturarv. År 1925 inleddes gruvdriften i Bolidenområdet i Västerbotten, väster om Skellefteå.

Gruvdriften i Boliden lades ner 1967 och idag finns bara några mindre gruvor i drift i det s.k.

Skelleftefältet. Malmerna där utmärks av att de är mycket komplexa med varierande halter av koppar, bly, zink, guld, silver och svavel. Aitikgruvan i Gällivare kommun är numera Sveriges viktigaste koppargruva. Den är också en av Europas största koppargruvor. Malmen från Aitik innehåller 0,4 % koppar, 0,2 gram guld per ton och 3,5 gram silver per ton.

I Aitikgruvan bryts malmen i dagbrott.

�����

tema

����������

30

från mineral till grundämne

Anrikning I ett anrikningsverk krossas och mals malmen som innehåller dels värdefulla mineral som exempelvis kopparkis och zinkblände, dels omgivande gråberg, s.k. gångbergarter. Vid malningen friläggs de enskilda mineralkornen från varandra och det gör att de olika mineralen kan separeras.

För att skilja de mineral som ska anrikas från gråberg använder man oftast en separeringsmetod som kallas flotation. Till ett kärl med finmalen malm och vatten sätter man ytaktiva och skumbildande ämnen.

Det ytaktiva ämnet har två beståndsdelar, en vattenavvisande (hydrofob) del och en metallattraherande (metallofil) del. När man blåser in luft i blandningen bildas det bubblor. Det ytaktiva ämnets metallofila del binds till kopparkis, medan gångbergarten förblir opåverkad.

De hydrofoba delarna hakar fast i luftbubblorna.

På så sätt ansamlas kopparkis i ett skum på ytan av separationskärlet. Gångbergarten leds bort i botten av kärlet. Skummet innehåller mycket vatten. Efter filtrering och torkning får man en

mineralkoncentration som normalt är 10 till 100 gånger högre än den som fanns i malmen.

Den produkt som lämnar anrikningsverket kallas koncentrat eller slig.

Principen för flotation Till en blandning av värdefull kopparkis och gråberg i vatten sätts ett ytaktivt ämne och ett skumbildande ämne. Förstoringen visar hur den ena änden av det ytaktiva ämnet binds till kopparkiskornen. �������������

����

��������������������������������������� ��������������������������������������������������

��������� ����

�������

������������������ ��������������������� ��������������������� ��������������������

�������

31

tema

från mineral till grundämne

8 UPP GIF TER

4 I Aitik bryts malmen i dagbrott. Vad menas med det?

5 Vid anrikning separeras olika ämnen från varandra.

2

Vilka andra separationsmetoder än flotation känner du till? Se Teoridelen sid 119.

6 Varför sker anrikningen av kopparmalm nära gruvan och inte nära ett smältverk, där kopparmetall framställs?

7 Produktionen i Aitikgruvan var 17 miljoner ton malm under ett år. Densiteten på malmen kan antas vara 2,8 ton/m3. Kopparinnehållet är 0,38 massprocent. a) Hur stor är massan av den malm som bryts varje dygn? b) Hur stor är volymen av den malm som bryts varje dygn? c) Anta att din bostad har golvarean 100 m2 och takhöjden 3 m. Hur många sådana bostäder kan fyllas varje dygn med malm från Aitik? d) Beräkna guldhalten i gram guld per ton malm i Aitikgruvan med hjälp av följande uppgifter: 1 900 kg guld produceras på ett år från 17 miljoner ton malm. e) I texten om Aitik anges att malmen innehåller 0,2 g guld per ton malm. Jämför detta med svaret i uppgift d). Varför är det olika värden?

8 TEORI

tema

Formler och beräkningar, Reaktionsformler, Att beräkna massan sid 146 – 151

32

från mineral till grundämne

Processer vid smältverket Huvuddelen av den svenska produktionen av koppar sker vid Rönnskärsverken som ligger vid kusten utanför Skellefteå.

ROSTNING OCH SMÄLTNING

Koncentratet rostas vid 600–700 °C. Ordet rosta har här ungefär samma betydelse som att rosta bröd eller kaffe; det betyder att en upphettning äger rum i luft. Man rostar kopparkoncentratet framför allt för att minska svavelmängden till lämplig nivå för den efterföljande smältningen, men också för att få bort föroreningar som arsenik, kvicksilver m. fl. Rostningens huvudprocess är en reaktion med luftens syre. Vid rostningen bildas bl. a. kopparsulfid, Cu2S. En del av svavlet i kopparkisen omvandlas till svaveldioxid, som senare används för att tillverka svavelsyra, H2SO4.

Man tillför värme för att reaktionen ska komma igång. Under reaktionen frigörs värme och därför kan den fortsatta reaktionen ske utan behov av uppvärmning.

Det rostade koncentratet går vidare till smältning. Den sker vid 1 200 °C i en elektrisk ugn med elektroder av kol. Under smältningen bildas två skikt, ett övre som består av föroreningar och kallas slagg och ett undre av skärsten. I skärstenen finns en blandning av koppar-, järn-, zink- och blysulfider samt ädelmetaller och selenföreningar.

Omkring år 2000 började flashugnen användas. Man kan säga att i flashugnen sker både rostning och smältning. Koncentratet blåses in tillsammans med syrerik luft, antänds och smälter. Temperaturen är cirka 1 340 °C. Även i flashugnen bildas två skikt: slagg och skärsten.

För att värma ugnen tillförs energi. Därefter räcker den energi som finns i råmaterialet för att hålla processen igång.

Processerna i flashugnen är mer energisnåla och mer miljövänliga än de äldre metoderna.

I flashugnen kan man dock inte utgå från kopparhaltigt skrot och annat återvinningsmaterial.

Därför finns den gamla elugnen kvar.

Kopparframställning

�������

������������ ���������� �������������������� ������������������

������������������ ���������

2

����������� ����������

���������� ������������

������������������

����������� ������

���������������

KONVERTERING

Skärstenen innehåller 55–70 % koppar. Den transporteras till så kallade konvertrar, som har formen av liggande cylindrar. Konvertering i det här sammanhanget innebär att kopparsulfid överförs till metallisk koppar. Vid processen blåser man in luft med högre syrehalt än normalt.

Reaktionen kan beskrivas med formeln Cu2S + O2 → 2 Cu + SO2 När det mesta av svavlet har försvunnit i form av gasformig svaveldioxid avbryter man lufttillförseln. Då finns kopparen i huvudsak som fri

Tappning av råkoppar ur en konverter.

metall. Den kallas råkoppar och innehåller cirka 98 % koppar.

ANODGJUTNING

Nästa process har till uppgift att minska syrehalten i råkopparen. Det sker genom att blåsa in ammoniak (NH3) i kopparsmältan. Vätet i ammoniaken reagerar med syre som är löst i kopparen.

Då avgår kvävgas och vattenånga. Kopparhalten är nu cirka 98,5 %. Dessutom finns det 0,5 % ädelmetaller. Råkopparen gjuts sedan till plattor, cirka 300 kg tunga, som fungerar som anoder vid den följande elektrolysprocessen.

Kopparelektrolysen sker i stora bassänger.

33

tema

från mineral till grundämne

ELEKTROLYTISK RAFFINERING

2

Den elektrolytiska raffineringen grundar sig på skillnader i olika metalljoners reduktionsbenägenhet, dvs. metallernas ädelhet. Anodplattor av råkoppar placeras i stora tankar. Mellan anoderna placeras plåtar av rostfritt stål. Stålplåtarna fungerar som katoder vid elektrolysreningen. I tankarna cirkulerar en elektrolyt av svavelsyra och kopparsulfat. Kopparanoderna löses upp med hjälp av likspänning mellan anoder och katoder. Kopparjoner vandrar ut i elektrolyten och över till katoderna. Man kan skriva formel för anod- respektive katodreaktion på följande sätt:

När man lyfter upp de färdiga katoderna ur tankarna är kopparskiktet flera millimeter tjockt på båda sidorna av stålplåten. På varje stålkatod har det bildats över 100 kg koppar. Stålkatoderna ”strippas”, vilket innebär att kopparskikten skalas av. Efter tvättning är kopparmetallen färdig för leverans till kunderna. Renheten är 99,998 %. Tidigare användes katoder av ren koppar, men idag används katoder av rostfritt stål därför att de ger en jämnare strömtäthet.

Elektrolysen går snabbare och leder till ökad kopparproduktion.

Anodreaktion: Cu(s) → Cu2+ + 2 e– Katodreaktion: Cu2+ + 2 e– → Cu(s) En del av föroreningarna, bl. a. guld, silver och selen, löses inte upp i någon motsvarande anodreaktion utan bildar ett anodslam på botten av elektrolystankarna. Andra föroreningar, som arsenik och nickel, går visserligen i lösning, men de fälls inte ut på katoderna eftersom de är oädlare än koppar.

Vid anoden går koppar I lösning. Kopparjonerna rör sig i lösningen till katoden där de fälls ut som kopparmetall. Under anoden bildas ett anodslam som bl. a. innehåller guld och silver.

����

�����

Kopparskiktet på katoden skalas av och katoden kan åter användas i elektrolysprocessen.

8 UPP GIF TER

8 a) Använd en karta och ange för- och nackdelar med Rönnskärsverkens läge. b) Hur långt är det mellan Aitik och Rönnskär?

9 Vilken miljöpåverkan kan man få vid a) gruvbrytning och anrikning, ����

��

10 Vid anodgjutningen tillsätts ammoniak för att

���� ����

b) processerna i smältverket?

��

avlägsna syre. Gör klart reaktionsformeln NH3 + O2 → N2 + ...

8 TEORI

tema

Elektrolys sid 152 – 153 34

från mineral till grundämne

Ädelmetaller Anodslammet från kopparelektrolysen innehåller 0,6–1 % guld och 25–35 % silver. Det behandlas med svavelsyra och syrgas för att lösa ut föroreningar som koppar, nickel och tellur. Återstoden av anodslammet går till en ugn, där smältning och konvertering äger rum. Selen avskiljs i detta steg. Det som finns kvar av anodslammet gjuts till silveranoder. De innehåller omkring 95 % silver, 3 % guld samt 0,5 % platina och palladium.

Silveranoderna raffineras elektrolytiskt med sur silvernitratlösning som elektrolyt och med katoder av syrafast stål. Det sker en process som liknar den vid kopparraffineringen: Silver löses upp vid anoderna och fälls ut på katoderna.

Katodsilvret skrapas kontinuerligt av med mekaniskt drivna skrapor och samlas på elektrolyscellernas bottnar. Guld, platina och palladium löses inte upp utan bildar ett anodslam (också kallat guldslam), som samlas i speciella tygpåsar som omger silveranoderna.

2 Granulerat silver används bl. a. inom fotoindustrin.

Anodreaktion: Ag(s) → Ag+ + e– Katodreaktion: Ag+ + e– → Ag(s) Efter tvättning, smältning och granulering kan katodsilvret levereras till kunderna. Vid granulering häller man en stråle av smält silver i vatten för att få finfördelat silver. Halten silver är minst 99,995 %.

Efter avslutad elektrolys finns det alltid kvar silverjoner i elektrolyten. Man kan ta tillvara dem genom att sätta ner ren kopparplåt eller kopparpulver i den silverhaltiga elektrolyten: Cu(s) + 2 Ag+ → Cu2+ + 2 Ag(s) På detta sätt omvandlas silverjoner till silvermetall.

Anodslammet från silverelektrolysen löses upp med saltsyra och klorgas. Guld fälls ut på kemisk väg (ej elektrolys). Den erhållna guldfällningen tvättas och torkas innan den smälts för att gjutas till guldtackor på 12,5 kg. Guldets renhet är minst 99,99 %. Slutligen reduceras palladiumoch platinametall ut ur lösningen.

Guldet gjuts till tackor som väger 12,5 kg.

35

tema

från mineral till grundämne

te o r i til l te m a

2

✜ Oxidation och reduktion ✜ Kemiska formler och reaktionsformler ✜ Elektrolys och spänningsserien ✜ Jonföreningar i fast form och i lösning ✜ Lösningars koncentration

Oxidation och reduktion Redoxreaktioner Enligt en tidig definition av begreppen oxidation och reduktion var: oxidation = ta upp syre

reduktion = ta bort syre

Ett exempel på oxidation är när magnesium brinner i syrgas och det bildas magnesiumoxid. Magnesium oxideras.

Mg(s) + ½ O2(g) 3 MgO(s) Ett exempel på reduktion är framställning av koppar från kopparoxid, CuO. CuO(s) + H2(g) 3 Cu(s) + H2O(g) Ett annat och mer modernt sätt att definiera oxidation och reduktion är följande: oxidation = elektroner avges

reduktion = elektroner upptas

I den här definitionen ryms även reaktioner där syre inte deltar.

Eftersom elektroner varken kan förloras eller bli över måste oxidation och reduktion alltid inträffa samtidigt och balansera varandra. Totalreaktionen kallas en redoxreaktion. Redoxreaktioner är en viktig grupp av kemiska reaktioner. Förbränning av bränslen, metallframställning, fotosyntesen och cellandning (förbränning i cellen) är exempel på redoxreaktioner.

Magnesiums reaktion i syrgas och kopparoxidens reaktion med vätgas är båda exempel på redoxreaktioner. Magnesiums reaktion med syre kan delas upp i två delreaktioner:

teori

Mg 3 Mg2+ + 2e–

144

½ O2 + 2e– 3 O2–

���

En redoxreaktion äger rum när elektroner överförs från en magnesiumatom till en syreatom. ��

������������������������������ ������������

2

������������������������ �������������

Eftersom magnesium avger elektroner oxideras det. Syre tar upp elektroner och reduceras.

Magnesium kan även reagera med klorgas och då blir delreaktionerna: Mg 3 Mg2+ + 2e–

8 UPP GIF TER 2.1 – 2.5

och

Cl2 + 2e– 3 2 Cl–

Eftersom magnesium avger elektroner oxideras det. Klor tar upp elektroner och reduceras. Ett ämne som oxideras, dvs. avger elektroner, är ett reduktionsmedel för andra ämnen. På samma sätt kan man säga att ett ämne som reduceras är ett oxidationsmedel. Syre och klor är alltså oxidationsmedel och magnesium och vätgas är reduktionsmedel.

ANTIOXIDANTER Om ett skalat äpple får ligga i luft sker det en oxidation och äpplet blir brunt.

För att förhindra detta kan man t.ex. droppa citronsaft över äpplet. Citronsaft innehåller C-vitamin (askorbinsyra), som är ett antioxidationsmedel, dvs. ett ämne som motverkar oxidationer. Antioxidationsmedel, som kemiskt sett är reduktionsmedel, används inom livsmedelsindustrin.

Olika radikaler, molekyler med en oparad elektron, är ofta mycket reaktiva och skadliga för oss. Det kan vara syre, klor eller kväveoxider

från atmosfären. Naturligt förekommande antioxidanter i vår mat anses skydda oss mot dessa radikaler. Det är dock ännu för tidigt att säga om antioxidanter kan ge skydd mot vissa sjukdomar såsom hjärtkärlsjukdomar och cancer. Exempel på antioxidanter i livsmedel är: • askorbinsyra (vitamin C) i frukter och grönsaker • vitamin E i olja, nötter och fet fisk • karoten i morötter • selenföreningar i fisk och skaldjur

Citrusfrukter innehåller antioxidanter.

teori

145

Mer om oxidation och reduktion Elektrolys En elektrolys innebär att man åstadkommer en kemisk reaktion genom att tillföra elektrisk energi. För att genomföra elektrolysen använder man elektroder, en elektrolyt och elektrisk ström. Elektroderna är elektriska ledare som är nedsänkta i elektrolyten och genom dem tillförs respektive bortförs elektroner, så att en ström uppstår i en krets.

En elektrod kan vara fast, t. ex. kol och koppar, eller flytande, t. ex. kvicksilver. Elektrolyten innehåller joner. Den är i de flesta fall flytande, dvs. en smälta eller en vattenlösning. I elektrolyten sker strömtransporten genom jonledning. Det innebär att joner förflyttar sig i elektrolyten.

Vid en elektrolys upptas och avges elektroner. Elektrolys är alltså en redoxprocess. Reaktionerna vid en elektrolys är inte spontana utan man måste tillföra den energi som behövs i form av elektrisk energi.

Vid elektrolysen omvandlas alltså elektrisk energi till kemisk energi.

Den elektrod som är kopplad till spänningskällans pluspol kallas anod.

Elektroden som är kopplad till den negativa polen kallas katod.

Ett exempel på vad som kan ske är elektrolys av kopparkloridlösning med kolelektroder. När strömmen har passerat genom kretsen en kort stund, ser man att det utvecklas klorgas vid anoden. På katoden ser man en rödbrun beläggning. Det är kopparmetall.

2

Elektrolys av kopparkloridlösning med kolelektroder ��

�

�

��

������������� �

�������������� �

���� ��������������� �������������������

������������������ ��������������������

�������������

������

�������

�������������������

��������������

teori

����������������������������������

152

Kloridjonerna rör sig mot anoden. Eftersom negativt laddade joner vandrar mot anoden kallas de anjoner. Vid bildning av klorgas avges elektroner, som vandrar i ledningen mot katoden. Där kommer de att tas upp av kopparjoner, som då bildar kopparatomer. Positiva joner som i likhet med kopparjoner vandrar mot katoden kallas katjoner.

Vid en elektrolys gäller alltid följande: Vid anoden sker en oxidation och vid katoden sker en reduktion.

2

Vid framställning av kopparmetall kan man använda en vattenlösning av kopparjoner och få fram koppar vid katoden. Däremot kan man inte använda en vattenlösning av ett metallsalt för framställning av de mest oädla metallerna. Anledningen är att katodreaktionen då i stället blir att vätet i vattnet reduceras till vätgas. Det sker till exempel om man elektrolyserar en vattenlösning av natriumklorid med kolelektroder: 2 H2O + 2 e– 3 H2(g) + 2 OH–

8 UPP GIF TER 2.29 – 2.33

För att undvika vätgasbildning när man vill framställa en oädel metall använder man därför en smälta av metallsaltet i stället för en vattenlösning.

teori

153

Metaller är reduktionsmedel Om man tillför zink till en vattenlösning av kopparsulfat kommer kopparmetall att fällas ut. Totalreaktionen kan skrivas: ���������������������������������

2

��

��

��

��

�� ��

�� ��

��

��

���������

�� ��

��

��

��

�

�� ����

���������������������������������

�

��

��

�� �� ��

�� ��

��

��

��

�� �� ��

��������� ��������

��

������� �������

Lösningens blåa färg blir svagare när koppar bildas på zinkmetallen.

Zink bildar färglösa zinkjoner.

Kopparsulfat består av kopparjoner och sulfatjoner, som är fria från varandra i vattenlösningen. Sulfatjonerna deltar inte i reaktionen. Man bör därför hellre skriva reaktionen på följande sätt: Zn(s) + Cu2+(aq) 3 Zn2+(aq) + Cu(s)

�����������

������

�������������������

teori

Kopparatomer oxideras till kopparjoner. Det leder till att lösningens färg övergår från färglös till blå. Silverjoner reduceras till silveratomer, som till en början fastnar på kopparblecket. Det blir däremot ingen reaktion om ett silverbleck sätts ned i en kopparsulfatlösning.

154

Genom att dela upp reaktionen i två delreaktioner kan man lättare se oxidationen respektive reduktionen: Reduktion: Cu2+(aq) + 2e– 3 Cu(s) Oxidation: Zn(s) 3 Zn2+(aq) + 2e– Kopparjoner reduceras till kopparatomer samtidigt som zinkatomer oxideras till zinkjoner. De elektroner som reducerar kopparjoner till koppar kommer från zinkmetallen. Zink verkar som ett reduktionsmedel.

Om man i stället doppar ner koppar i en vattenlösning av zinksulfat sker ingen reaktion. Zink reagerar alltså med kopparjoner, men koppar reagerar inte med zinkjoner. Däremot äger en reaktion rum om man doppar ner koppar i en silvernitratlösning. Då bildas metalliskt silver på kopparmetallen. Lösningens färg övergår från färglös till blå.

Delreaktionerna blir: Oxidation: Cu(s) 3 Cu2+(aq) + 2e– Reduktion: Ag+(aq) + e– 3 Ag(s) Varje enskild delreaktion kan gå i båda riktningarna. I vilken riktning reaktionen kommer att gå, beror på vilka andra reaktioner som är möjliga, som exemplet med koppar visade.

För att kombinera de två delreaktionerna till en totalreaktion måste man se till att antalet elektroner är lika i de båda delreaktionerna. Det innebär att delreaktionen för silver måste multipliceras med 2: 2 Ag+(aq) + 2e– 3 2 Ag(s)

2

Nu kan de två delreaktionerna adderas till en totalreaktion. De två elektronerna tas inte med eftersom de förekommer på båda sidorna.

Cu(s) + 2 Ag+(aq) 3 Cu2+(aq) + 2 Ag(s)

Den elektrokemiska spänningsserien Genom att undersöka om en metall reagerar med joner av en annan metall kan man avgöra vilken av metallerna som är det bättre reduktionsmedlet. I reaktionen mellan zink och kopparjoner är zink ett bättre reduktionsmedel än koppar. Försök med koppar och silverjoner visar att koppar är ett bättre reduktionsmedel än silver. Man kan ordna de tre metallerna efter avtagande reduktionsförmåga och får då följande ordning: Zn > Cu > Ag Om man undersöker fler reaktioner mellan olika metaller och metalljoner kan man ordna metallerna efter avtagande reduktionsförmåga: K Na Mg Al Zn Fe Pb H Cu Ag Au Pt Ordningsföljden kallas den elektrokemiska spänningsserien. Att metallerna ordnas efter avtagande reduktionsförmåga innebär att det bästa reduktionsmedlet står längst till vänster i spänningsserien. För att en reaktion ska kunna äga rum mellan en metall och en jon av en annan metall måste jonen stå till höger om metallen i spänningsserien. Så reagerar t.ex. aluminium och blyjoner med varandra medan däremot aluminiumjoner och bly inte reagerar.

Trots att väte inte är någon metall brukar det ändå tas med i spänningsserien och står där mellan bly och koppar. Detta betyder att vätejoner i t. ex. saltsyra kan reagera med de metaller som står till vänster om väte. Sådana metaller kallas väteutdrivande metaller. Vid reaktionen bildas vätgas, H2 (g). Magnesiums reaktion med saltsyra kan skrivas Mg(s) + 2 H+ + 2 Cl– 3 Mg2+ + 2 Cl– + H2(g) 8 UPP GIF TER 2.34 – 2.39

Metaller som finns till höger om väte reagerar inte med saltsyra och kallas ädla metaller.

teori

155

Grupp 17

Halogener är oxidationsmedel

�� �����

� �

�����

����

2

�� ��

�����

����

�� ��

�����

���

�

��

�����

�����

�� ��

Halogenerna eller ”saltbildarna” är grundämnena i grupp 17 i periodiska systemet. Alla halogenatomer har sju elektroner i sitt yttersta elektronskal. Halogenerna är de mest reaktiva ämnena bland ickemetallerna. Ingen av dem finns som fritt grundämne i naturen. De förekommer alla i föreningar, vanligtvis som halogenidjoner, dvs. enatomiga negativa joner som har laddningen –1. Kalciumfluorid och natriumklorid är två naturligt förekommande halogenidmineral.

Eftersom halogenerna är starkt elektronegativa tar de lätt upp en elektron, vilket betyder att de är oxidationsmedel. När en halogen bildar en negativ halogenidjon tar den upp en elektron, dvs. halogenatomen reduceras. Den atom som lämnar ifrån sig elektronen oxideras.

Om man sätter klorvatten till en vattenlösning av kaliumbromid sker en reaktion. Lösningen blir rödbrun av bildad brom.

�����

Cl2(aq) + 2 K+(aq) + 2 Br–(aq) 3 2 K+(aq) + 2 Cl–(aq) + Br2(aq) Cl2 (aq) kallas klorvatten och är en lösning av klorgas i vatten. Eftersom kaliumjonerna inte deltar i reaktionen bör man förenkla reaktionsformeln till Cl2(aq) + 2 Br–(aq) 3 2 Cl–(aq) + Br2(aq) En liknande reaktion äger rum när brom reagerar med jodidjoner: Br2(aq) + 2 I–(aq) 3 2 Br–(aq) + I2(aq) Reaktionerna är redoxreaktioner. Halogenerna kan verka som oxidationsmedel medan de själva reduceras till halogenidjoner.

Halogenerna är olika starka som oxidationsmedel. Eftersom klor kan oxidera bromidjoner till brom är klor tydligen ett starkare oxidationsmedel än brom. Den halogen som lättast tar upp elektroner och bildar joner är det starkaste oxidationsmedlet. Om man prövar alla halogener mot alla halogenidjoner, finner man att fluor är det starkaste oxidationsmedlet och jod det svagaste. Fluor är också den mest elektronegativa halogenen.

Mer om halogener

teori

Jod är i rumstemperatur ett fast ämne. Det löser sig i opolära lösningsmedel (här hexan) och lösningen blir violett. I polära lösningsmedel som vatten är lösligheten sämre och lösningen blir gulbrun.

156

Fluor och klor är de vanligaste halogenerna. Brom förekommer i mindre mängder och jod är tämligen sällsynt. Astat är ett kortlivat, radioaktivt grundämne som är mycket sällsynt i jordskorpan.

Alla halogenerna bildar tvåatomiga molekyler, t.ex. F2 och Br2. De två atomerna binds samman med en kovalent enkelbindning. I fast eller flytande form finns ganska svaga bindningar mellan halogenmolekylerna.

OXIDATIONSMEDEL TILL VARDAGS Det absolut viktigaste oxidationsmedlet för oss är luftens syrgas. Genom andningen får våra celler tillgång till syrgas, som oxiderar (”förbränner”) den mat vi äter. Vi kan därigenom tillgodogöra oss matens energiinnehåll.

Kraftiga oxidationsmedel kan användas för t.ex. desinfektion och blekning. Många sådana utgörs av peroxider, som innehåller gruppen –O–O–. När peroxiden verkar som oxidationsmedel blir reaktionsprodukten oftast vatten. Väteperoxid, H2O2, används som blekmedel för hår, men också för blekning av pappersmassa och rening av dricksvatten. I tvättmedel ingår ofta ämnen, t.ex. perborat eller TA…D, som vid tvätten bildar peroxid med blekande inverkan på fläckar.

Andra viktiga oxidationsmedel innehåller klor. För att desinficera dricksvatten ger man det en liten tillsats av klor i vattenverket. I simbassänger gör man större tillsatser, omkring 1 mg/dm3. Ett blekmedel för hushållet har han-

������������������������� Halogenerna ordnade efter avtagande elektronegativitet och oxidationsförmåga.

delsnamnet ”Klorin”. Dessa klortillsatser görs i regel med saltet natriumhypoklorit, vilket fungerar ungefär som klor.

För blekning inom massaindustrin använde man tidigare klor. På grund av de negativa miljöeffekterna har man numera gått över till klordioxid eller väteperoxid.

2

I föreningar kan en halogenatom komplettera sitt yttersta elektronskal genom att • ta upp en elektron från en metallatom och bilda en halogenidjon i en jonförening.

• dela en elektron från en annan atom i en kovalent bunden förening.

I båda fallen får halogenatomen oftast en negativ laddning i föreningen.

Halogenatomer (utom fluor) kan också få en positiv laddning om de binds kovalent till en ännu mer elektronegativ atom, exempelvis syre. Så är fallet t.ex. i hypoklorit (ClO–).

Halogenernas egenskaper Några av halogenernas egenskaper visas i tabellen. Halogenerna är mycket lösligare i organiska lösningsmedel som heptan än vad de är i vatten.

Färgen på lösningarna framgår också av tabellen. Förekomst av jod kan påvisas av den kraftigt blå färg som uppstår i närvaro av stärkelse.

Några egenskaper hos halogenerna.

Fluor

Klor 37 Cl 25%

79 Br 50%

Jod

Naturliga isotoper och deras förekomst

19

Smältpunkt (°C)

–220

–101

–7

113

Kokpunkt (°C)

–188

–35

59

184

Löslighet i gram per 100 g vatten vid 20 °C

reagerar med vatten

0,6

3,6

0,02

Färg i vatten

ljusgrön

rödbrun

gulbrun

Färg i heptan

ljusgrön

brun

violett

F 100%

35 Cl 75%

Brom 81 Br 50%

127 I 100%

teori

157

Framställning av klorgas Klor framställs genom elektrolys av natriumklorid i vattenlösning.

Man har utvecklat olika metoder för denna elektrolys. Vid den s. k. membranmetoden har man delat elektrolyskärlet i ett anodrum och ett katodrum. Mellan de två rummen finns ett membran som tillåter natriumjoner och vattenmolekyler att passera. Kloridjoner och hydroxidjoner kan däremot inte passera membranet. När elektrolysen börjar, har man en koncentrerad natriumkloridlösning i anodrummet. Där bildas klorgas. I katodrummet startar man med en utspädd natriumhydroxidlösning. Där sönderdelas vatten till vätgas och hydroxidjoner. Eftersom natriumjoner passerar membranet från anod- och katodrum, bildas mer natriumhydroxid i katodrummet. Under elektrolysen tillförs mer natriumklorid till anodrummet och natriumhydroxidlösning tappas ut från katodrummet. En reaktionsformel för elektrolysen finns i bilden.

2

Membranmetoden �� ���� �

� ���

� �� ��

����� �

���

�������������

��������������

������������������������������

��������������������������������������

��� ��������� �������

��� ������ ���� ���������

�������������������������������� �������������������������������������������������������������������

teori

8 UPP GIF TER 2.40 – 2.43

158

Jonföreningar Jonbindningens styrka De två viktigaste faktorerna som påverkar bindningens styrka för en viss jon är jonens laddning och dess storlek. Om en jon har hög laddning attraheras den starkt av joner med motsatt laddning och dessutom av polära molekyler, exempelvis vatten. Om jonen är liten, attraheras den också starkt, eftersom bindningsavståndet blir litet. En sådan liten och högt laddad jon kommer att bilda jonkristaller med starka jonbindningar. På grund av de starka bindningarna blir smältpunkterna höga.

2

Atomstorlek ��

���

������� ����������������

������� ���������������

��

���

������� ����������������

������� ���������������

��

����

������� ����������������

�������� ���������������

�

���

������ ����������������

������� ���������������

�

��

������ ����������������

������ ���������������

Jämförelse mellan storleken hos atomer och joner.

I atomer och joner upptar elektronmolnet nästan allt utrymme. Man skulle därför kunna tro att ju fler elektroner det finns i en atom, desto större skulle den bli. Det stämmer om man bara betraktar grundämnena i en och samma grupp, eftersom ett nytt elektronskal läggs till för varje nytt grundämne i gruppen och varje nytt elektronskal befinner sig längre bort från kärnan än det tidigare yttersta skalet. Atomstorleken beror emellertid också på antalet protoner i atomkärnan.

Av diagrammet på sidan 130 framgår att när man går längs en period i det periodiska systemet, så minskar atomradierna, fastän elektronmolnet kommer att innehålla fler och fler elektroner. Detta beror på att alla valenselektronerna finns i samma elektronskal. Längs perioden ökar antalet protoner i kärnan undan för undan, och den ökande positiva laddningen attraherar elektronerna starkare och starkare. Därför blir atomerna allt mindre, trots att de får fler elektroner.

När en ny period påbörjas, så påbörjas samtidigt ett nytt elektronskal. Elektronerna i detta skal finns i genomsnitt längre bort från atomkärnan än elektronerna i det föregående skalet, och därför blir atomradierna mycket större.

Från atomer till joner När atomer blir joner avges eller upptas elektroner. Detta har en stor inverkan på storleken. Om en elektron avges så att det bildas en positiv jon som exempelvis Na+, blir jonen mindre än den oladdade atomen.

Om två eller tre elektroner avges, så att t.ex. Mg2+ eller Al3+ bildas, blir effekten större. Detta betyder att positiva joner med hög laddning blir mycket små. Den ringa storleken och den höga laddningen medför att sådana joner i regel bildar mycket starka jonbindningar.

Om en elektron tas upp så att det bildas en negativ jon (som Cl–), blir jonen större än den ursprungliga atomen. Om två elektroner tas upp (så att t.ex. O2– bildas), blir effekten ännu större.

teori

159

Christer Engström Per Backlund Rolf Berger Helena Grennberg

Kemi A

Kemi A

tema & teori Ett läromedel som utgår från verkligheten

tema & teori

tema & teori

Kemi A Tema och Teori innehåller: • 5 temakapitel • 5 teorikapitel, ett till varje tema • rikligt med uppgifter till både tema och teori • svar till alla uppgifter

Kemi A

ISBN 91-622-6899-6

www.bonnierutbildning.se Best.nr 622-6899-6

BON NIER S