FORMA
KEMI
7-9
SCHILDTS & SÖDERSTRÖMS
Anna Kangaskorte Jari Lavonen Outi Pikkarainen Heikki Saari Jarmo Sirviö Kirsi-Maria Vakkilainen Jouni Viiri Jenni Vainio
Schildts & Söderströms www.sets.fi
Finska förlagans titel: FyKe Kemia 7–9 Finsk redaktör: Vuokko Lipponen Svensk redaktör: Maria Palmén Förlagans layout: Liisa Holm och Sari Jeskanen Illustrationer: Tuuli Hypén, Pekka Könönen och Valtteri Mäkelä Bildredaktörer: Nina Tuittu och Vuokko Lipponen Finska förlagans ombrytning: Tarja Lamberg Svenska förlagans ombrytning: Eija Högman
INNEHÅLL Kemins värld .............................................. 6
I Undersökning av ämnen
och modeller
1 2 3 4
Första upplagan, 2017
© Anne Kangaskorte, Outi Pikkarainen, Kirsi-Maria Vakkilainen och Sanoma Pro Oy © 2017 Jenni Vainio och Schildts & Söderströms
5
+
6 8 9
Det är förbjudet att fotokopiera, skanna eller på annat sätt digitalt kopiera det här verket eller delar av det utan tillstånd. Kontrollera om läroanstalten har gällande licenser för fotokopiering och digitala licenser. Mer information lämnas av Kopiosto rf, www.kopiosto.fi. Det är förbjudet att ändra verket eller delar av det. Fondernas samarbetsgrupp som består av Svenska kulturfonden, Svenska Folkskolans Vänner, Föreningen Konstsamfundet och Lisi Wahls stiftelse för studieunderstöd har beviljat ekonomiskt stöd för utgivningen av detta läromedel. ISBN 978-951-52-4181-8
2
10 14 18 22 26 30 33
II Kemiska reaktioner 7
KOPIERINGSFÖRBUD Det här verket är en lärobok. Verket är skyddat av upphovsrättslagen (404/61).
Undersök ämnen på ett säkert sätt ............... Ämnen har olika egenskaper ........................ Ämnen består av atomer .............................. Grundämnen bildar föreningar ..................... Vatten har speciella egenskaper ................... Mer om atomer ........................................... Sammanfattning ..........................................
10
+
Rena ämnen och blandningar ...................... En lösning är en homogen blandning ............ Ämnen i en blandning kan separeras ........... I en kemisk reaktion bildas nya ämnen ......... Förbränning är en kemisk reaktion ............... Mer om kemiska reaktioner .......................... Sammanfattning ..........................................
34 38 42 46 50 54 57
III Periodiska systemet och kemiska
bindningar
11 12 13 14 15
+
Elektroner kretsar kring atomkärnan .............. 58 Det periodiska systemet är ett verktyg i kemin.. 62 Atomer kan omvandlas till joner .................... 66 Salter är jonföreningar................................. 70 Molekyler innehåller kovalenta bindningar .... 74 Mer om atomers växelverkan ........................ 78 Sammanfattning .......................................... 81
IV Syror, baser och miljö 16 17 18 19 20
+
En lösning kan vara sur, neutral eller basisk.... 82 Syror och baser är viktiga råvaror................. 86 Neutralisering är en reaktion mellan en syra och en bas ................................................. 90 pH-värdet kan ändras då en oxid löses i vatten .................................................... 94 Atmosfären är en blandning av gaser ........... 98 Mer om syror och baser ............................ 102 Sammanfattning ....................................... 105
V Metallernas kemi 21 22 23 24 25
+
Metaller är användbara material ................ 106 Metallernas elektrokemiska spänningsserie anger ädelhet ........................................... 110 Batteriet är en spänningskälla ..................... 114 Stål förädlas ur järnmalm ........................... 118 Korrosion är oxidering av metaller .............. 122 Mer om elektrokemiska tillämpningar .......... 126 Sammanfattning ........................................129
VI Kol och organisk kemi 26 27 28 29 30
+
VII 31 32 33
Kol finns i många olika former ................... Kolväten är organiska föreningar ............... Småmolekylära kolväten är gaser .............. Alkoholer har många användningsområden Karboxylsyror finns i naturen ..................... Mer om organiska föreningar .................... Sammanfattning .......................................
130 134 138 142 146 150 153
Näringsämnen Fetter är rika på kemisk energi ................... 154 Socker är kolhydrater ............................... 158 Proteiner är kroppens byggstenar ............... 162
Kemi i din omgivning Material för projektarbeten Fossila bränslen ersätts med andra energikällor ............................................. B Plaster består av långa molekylkedjor ......... C Textilier är konstfiber eller naturmaterial ...... D Papper framställs från träd ........................ E Tvättmedel innehåller tensider .................... F Det tar åratal att utveckla ett läkemedel ....... Bilagor.......................................................... Register ......................................................... Bildkällor....................................................... Periodiska systemet......................................... A
166 168 170 172 174 176 178 183 186 190
3
2
Ämnen har olika egenskaper
För att tillverka en mobiltelefon behövs flera ämnen, såsom plast, glas, kisel, kol och metaller. Vanliga metaller i en mobiltelefon är guld, silver, koppar, tenn, magnesium, järn, litium, titan och tantal. Varför behövs det så många olika ämnen för att tillverka en telefon?
Ämnen kännetecknas av sina egenskaper Många ämnen känns igen på sin doft, färg eller smak. På kemilektionerna undersöks aldrig ämnen genom att smaka och väldigt sällan genom att lukta på dem. Ämnens egenskaper Ämnens egenskaper är till exempel färg, lukt, smak, löslighet, surhet, reaktivitet, hårdhet, glans, skörhet, smältpunkt, kokpunkt, värmeledningsförmåga och elektrisk ledningsförmåga.
Vilken färg har ämnet? Löser sig ämnet i vatten? Är det en gas, en vätska eller ett fast ämne?
14
Vilka är ämnets smältoch kokpunkter?
Ämnens egenskaper bestämmer vad de används till Mobiltelefonens inre tillverkas av metall, medan skalet ofta är gjort av plast. För att göra telefonen hållbar, men ändå lätt, används till exempel magnesium och aluminium. Ett skal av plast är billigt, men ändå hållbart. Glas är ett lämpligt material för en pekskärm, bland annat för att det är genomskinligt. Ämnena i telefonens kretskort måste tåla höga temperaturer och leda elektricitet - sådana ämnen är till exempel guld, silver och koppar.
Hur hårt är ämnet?
Glänser ämnet?
Har ämnet någon lukt?
Leder ämnet elektricitet och värme? Är ämnet surt?
Hur reagerar ämnet med andra ämnen?
Fast, flytande och gas – ämnenas aggregationstillstånd. fast
flytande
Ämnets aggregationstillstånd kan förändras Alla ämnen kan förekomma i tre aggregationstillstånd: fast, flytande och gas. När ett fast ämne uppvärms tillräckligt mycket, kommer det att smälta och övergå i vätskeform. Nyårstenn är en blandning av tenn och bly. Tenn smälter vid 232 °C. Blyets smältpunkt är 238 °C. Nyårstennets smältpunkt är ändå lägre än så. Olika ämnen smälter vid olika temperaturer, vilket gör att man kan identifiera ett ämne utifrån dess smältpunkt. Smältpunkt Temperaturen då ett ämne smälter, dvs. övergår från fast till flytande form, kallas smältpunkt.
För att flytande tenn ska övergå i gasform, krävs en temperatur över 2000 °C. Så höga temperaturer kan du inte uppnå i ditt hem. Ämnen med lägre kokpunkt kan du däremot omvandla till gasform. Ett exempel på ett sådant ämne är vatten, som kokar vid 100 °C. Ämnen kan övergå i gasform även vid lägre temperaturer än kokpunkten. Detta kallas avdunstning.
gas
Nya ämnen utvecklas ständigt Många nya material är ett resultat av forskning och produktutveckling. Andra material har upptäckts av en slump. Post-it-lappen är ett resultat av ett misslyckat försök att utveckla ett mycket starkt lim. Istället lyckades kemisten skapa ett lim som fastnar på underlaget, men ändå är så svagt att det går att ta bort utan att den lämnar spår. Andra ämnen, som upptäckts av en slump, är penicillin, teflon och laminerat glas. Vår ökade konsumtion gör att vi måste utveckla nya material som belastar miljön så lite som möjligt. Tvättmedel innehöll tidigare ämnen som bidrog till övergödning av vattendrag. Idag har vi tillgång till miljövänligare alternativ. Olja används som råvara för bränslen och många andra material, till exempel plast. Eftersom världens oljereserver kommer att ta slut, måste forskarna hitta alternativa råvaror. Det finns redan flera alternativ. Rybsolja kan användas som biobränsle och råtallolja från träförädlingsprocesser kan användas som råvara för biodiesel. Även plaster kan tillverkas av växter och kallas då bioplaster. En del bioplaster innehåller ämnen som bryts ner till ofarliga ämnen då de utsätts för ljus.
Kokpunkt Temperaturen då ett ämne kokar kallas kokpunkt. Ett ämne har nått sin kokpunkt då det bildas bubblor i vätskan.
Amalgam användes tidigare som tandfyllningsmaterial, eftersom det är billigt och stelnar i munnen då tanden lagats. Amalgam innehåller dock miljögiftet kvicksilver och har idag till stor del ersatts av andra kompositmaterial.
Biomassa är material från den levande naturen och innehåller rikligt med kol. Biomassa kan ersätta bränslen som är baserade på råolja. Exempel på biomassa är träavfall, växter och hushållsavfall.
15
Modeller beskriver och förklarar kemin Ämnen har egenskaper som inte går att förklara utan en modell. I kemin används modeller för att förklara hur atomer och molekyler är uppbyggda. Med hjälp av dessa modeller kan man förklara ämnens egenskaper och reaktionsförmåga. Modeller beskriver och förenklar kemin, så att vi kan göra förutsägelser (hypoteser) och planera nya undersökningar. Forskningsresultat och teorier presenteras ofta med modeller. Modeller är betydelsefulla i arbetet med att utveckla nya material. Modell En modell är en förenkling av ett ämne eller ett fenomen. Med hjälp av en modell kan man beskriva, förklara och göra förutsägelser.
H
H O
Med hjälp av vattenmolekylen kan man beskriva och förklara vattnets egenskaper.
Modeller av vatten Vatten består av vattenmolekyler, som man inte kan se med blotta ögat. Vattenmolekylen består av en syreatom, som avbildas som ett rött klot, och två väteatomer, som avbildas som vita klot. De färgade kloten är alltså modeller av atomer. Vattnets kemiska formel, H2O, är också en modell för vatten. I formeln står H för väte och O för syre. Då en kemist använder den kemiska formeln H2O menar hen antingen en vattenmolekyl eller ämnet vatten. En modell av vattnets aggregationstillstånd I nedanstående bildserie beskrivs vattnets tre aggregationstillstånd med hjälp av molekylmodeller. Vattenmolekylerna i is är bundna till varandra i en tredimensionell struktur där vattenmolekylerna vibrerar på sina platser. När isen värms, ökar vattenmolekylernas vibrationer och isen smälter till vatten. Vattenmolekylerna i flytande vatten kan röra sig förbi varandra, men håller sig fortfarande nära varandra. Vattenmolekylernas rörelse ökar ju mer vattnet värms. Vattenmolekylerna lösgörs ifrån varandra och vattnet övergår i gasform. I gasform kan vattenmolekylerna röra sig fritt och sprida sig i omgivningen.
Modell av vattnets aggregationstillstånd. smältning
stelning
16
Undersökning av ämnen och modeller
förångning
kondensering
En karta är en förenklad bild, eller modell, av terrängen. Då terrängen förändras, till exempel på grund av nya byggnader, måste kartan uppdateras. Kartan blir då mer detaljerad, precis som naturvetenskapliga modeller hela tiden blir mer exakta.
Arkitektens ritning beskriver hur huset kommer att se ut.
UPPGIFTER 18 Ge exempel på ett ämne som är a) glansigt b) surt.
2
23 a) Vad beskriver modellerna 1, 2 och 3? 1. 2. 3.
19 Nämn en egenskap för följande ämnen: a) koppar b) nyårstenn c) socker d) luft 20 Vad kallas temperaturen då ämnet övergår a) från fast till flytande b) från flytande till gas c) från flytande till fast? 21 Av vilket ämne är föremålen på bilden tillverkade? Vilken egenskap hos ämnet gör att det passar för ändamålet? a) b)
c)
d)
b) Vad används modellerna till? c) Räkna upp åtminstone två modeller till utöver de som nämns i a). 24 Varför används modeller i kemin? 25 Gruppera följande ämnen enligt aggregationstillstånd i rumstemperatur: bakpulver, tenn, kväve, sirap, tvål, hårspray, rakvatten, silver, salmiak, socker, vatten, vattenånga, koppar, handkräm, ättika, helium, syre, sand, mjöl och papper. 26 Din uppgift är att undersöka en bit kol. Planera hur du ska undersöka kolbiten med hjälp av följande utrustning: vatten, passare, sandpapper, dekanterglas, glasstav, gasbrännare, degeltång, tändstickor, batteri, lampa och kablar. 27 Ta reda på egenskaper och användningsområden för a) guld b) stål.
22 Beskriv vatten med tre olika modeller.
2 Ämnen har olika egenskaper
17
6
Rena ämnen och blandningar
Du tvättar händerna rena med tvål och vatten. Kvar på dina fuktiga händer finns tvålrester och bakterier som lever på din hud. Kranvattnet är renat vid ett vattenverk, men innehåller ändå många andra ämnen, som till exempel salter och rester från reningsprocessen. När är ett ämne kemiskt rent?
Ett rent ämne består av likadana byggstenar Kranvatten är en blandning av vatten och lösta ämnen. Om man renar vattnet från dessa lösta ämnen, återstår bara vattenmolekyler. Sådant vatten är kemiskt rent och kallas destillerat vatten. I kemin används begreppet rent ämne endast för ett ämne som består av likadana byggstenar antingen atomer eller molekyler. Alla grundämnen och kemiska föreningar är rena ämnen. Även om en kemisk förening består av flera olika atomer, är alla byggstenar i föreningen likadana. Alla vattenmolekyler består till exempel av en syreatom och
H
34
O H
två väteatomer. Rent järn består bara av järnatomer och rent syre bara av syremolekyler. Grundämnen består antingen av likadana atomer eller molekyler med enbart likadana atomer. Rent ämne Ett rent ämne består av likadana byggstenar. Rena ämnen är antingen grundämnen eller kemiska föreningar.
Fe
Vid tillverkningen av en hudkräm blandas lämpliga mängder av rena ämnen till en blandning. Innehållsförteckningen berättar vilka ämnen hudkrämen består av.
En kemisk förening består av olika atomer En byggsten i en kemisk förening består av ett bestämt antal atomer av olika grundämnen. Utgående från detta skrivs den kemiska föreningens kemiska formel. Vattnets kemiska formel är H2O, vilket betyder att vattnets byggsten – vattenmolekylen – består av två väteatomer och en syreatom. Om antalet atomer ändras, är det fråga om en annan kemisk förening. Om två väteatomer binds till två syreatomer är den kemiska formeln H2O2. Denna kemiska förening kallas väteperoxid och har helt andra egenskaper än vatten. Byggstenarna i en blandning är olika En blandning av väte och syre är något helt annat än en kemisk förening som består av väte och syre. I blandningen är byggstenarna – vätgasmolekylen H2 och syrgasmolekylen O2 – åtskilda från varandra. En blandning av väte och syre är mycket explosiv, till skillnad från den kemiska föreningen vatten, som ju också består av väte och syre. I blandningen sitter inte byggstenarna ihop, vilket gör att förhållandet mellan antalet byggstenar kan variera. Därför går det inte att skriva en entydig kemisk formel för en blandning, även om man kan skriva kemiska formler för de ämnen som ingår i blandningen.
Betong är ett av världens mest använda material. Det är en blandning av cement och andra ämnen. Cement är också en blandning som innehåller bland annat kalksten och grus.
Blandning • När ett kärl innehåller två eller flera rena ämnen, kallas det för en blandning. • I en blandning finns byggstenar från minst två olika ämnen. • Ämnena i en blandning kan vara fasta, flytande eller gasformiga.
Kemisk förening Består av åtminstone två olika sorters grundämnen, som är sammanbundna till en byggsten. Antalet atomer av samma sort är det samma i varje byggsten. Det går att skriva en entydig kemisk formel. Exempel: vatten.
Blandning Består av åtminstone två olika sorters byggstenar. Antalet byggstenar av varje sort kan variera. Det går inte att skriva en entydig kemisk formel. Exempel: en blandning av vätgas och syrgas. H
H H
H
H H
O H
O
O
O H
O O H
H
H
O
H
H
H
H
O
O
O
H H
H
O
H
H
O H H
H H
6 Rena ämnen och blandningar
35
En homogen blandning ser alltigenom likadan ut
I en heterogen blandning kan de olika ämnena urskiljas
Blandningar kan delas in i två grupper, homogena och heterogena blandningar. Om blandningen ser alltigenom likadan ut, är det fråga om en homogen blandning. Beståndsdelarna i en homogen blandning kan inte ses ens med mikroskop. Exempel på homogena blandningar är lösningar, till exempel kranvatten och gasblandningar, såsom luft. Legeringar, det vill säga blandningar av olika metaller, såsom brons och smyckesguld, är också exempel på homogena blandningar.
Sand och vatten är en blandning, där de olika ämnena kan ses med blotta ögat. Sand och vatten är en heterogen blandning. Två vätskor som inte löser sig i varandra bildar också en heterogen blandning. Detta sker till exempel då du blandar matolja och vatten. Oljan löser sig inte i vattnet, utan lägger sig som ett lager på vattenytan.
Homogen blandning • Blandningen är alltigenom likadan. • Ämnena har blandats fullständigt. • Lösningar, gasblandningar och legeringar är homogena blandningar.
Heterogen blandning • De olika ämnena i blandningen kan urskiljas. • Ämnena är ofullständigt blandade.
Klassificering av ämnen ÄMNE
Luft innehåller vanligtvis kvävgas, syrgas och små mängder av andra gaser, såsom koldioxid. I luft kan byggstenarna från de olika ämnena röra sig fritt kring varandra.
alla byggstenar likadana
kan vara
blandning
rent ämne
Luft är en blandning
flera olika byggstenar
Luft är en homogen blandning som består av kvävgas, syrgas och andra gaser. kan vara grundämne
kemisk förening
kan vara homogen
Mynt framställs av legeringar, som är blandningar av olika metaller. Ett tvåeurosmynt består av två olika legeringar. Legeringar är homogena blandningar.
36
Aine ja reaktio
Luft och havsvatten är homogena blandningar. Sand och vatten är däremot en heterogen blandning, eftersom det går att urskilja sanden och vattnet i blandningen. Moln, som består av luft och vattendroppar, är också en heterogen blandning.
heterogen
EXEMPEL Vilken eller vilka av följande klotmodeller avbildar a) ett rent ämne b) en blandning c) en kemisk förening? Motivera
A.
B.
Motivering I A och C är alla byggstenar sinsemellan likadana, de är alltså rena ämnen. I bild B finns flera olika byggstenar, vilket kännetecknar en blandning. Bild A har flera olika atomer (två olikfärgade klot), vilket betyder att det är en kemisk förening. Bild C föreställer ett grundämne, eftersom alla atomer är likadana. Svar a) A och C
C.
UPPGIFTER 58 Vilka av följande är rena ämnen? a) syre b) luft c) järn d) kranvatten e) läsk f) smyckesguld
H
Cl
D. Cl Cl
I
I
H
Cl
I
I
Cl
Ar
O
I
I
Cl
O
O
E. O
Cl Ar
H
N
O
H H
N
O
H
O
O
S O
F. S
H
O
S
O
6
62 Vilka av bilderna i uppgift 41 föreställer a) kemiska föreningar b) grundämnen?
C.
H
H
Cl
B.
c) A
61 Förklara följande begrepp och ge ett exempel. a) grundämne b) kemisk förening c) rent ämne d) blandning
59 Vilka av följande bilder visar a) rena ämnen b) blandningar? A.
b) B
Rn Rn
H
60 Är följande ämnen kemiska föreningar eller blandningar? a) nötchoklad b) strösocker c) regnvatten d) mineralvatten e) bordssalt f) äpple
63 På bilden ser du tre provrör, som innehåller rena ämnen eller blandningar. Studera provrören och svara på frågorna. a) Innehåller något av provrören med säkerhet ett rent ämne? Motivera. b) Vilket eller vilka provrör innehåller en blandning? Motivera. c) Kan du med säkerhet veta om ett provrör innehåller en blandning eller ett rent ämne? Motivera. 64 Undersök hemma. Studera en oöppnad flaska med mineralvatten eller läsk. Beskriv blandningen. Är det fråga om en homogen eller heterogen blandning? Förändras detta då flaskan öppnas? 6 Rena ämnen och blandningar
37
Ojne j kött…
11
Ham burg aren har ju
Så du äte r bar a brö det ?
Elektroner kretsar kring atomkärnan
Elle r bar a kak a? Me nme n, me n när Kan inte
En undersökning har visat att emojis kan förmedla känslor. En glad emoji kan ge samma reaktion i mottagarens hjärna som ett riktigt leende. Emojis och smilisar är modeller som beskriver känslor eller händelser. I kemin används också modeller. Vilka modeller används för att beskriva atomen? Atomen består av protoner, neutroner och elektroner Atomens uppbyggnad kan beskrivas med en modell där atomen består av en atomkärna och elektronskal. Atomkärnan består av protoner och neutroner, medan elektronerna finns på elektronskalen. Protonerna har en positiv elektrisk laddning, medan neutronerna är oladdade eller neutrala. Eftersom atomkärnan består av positiva och neutrala partiklar, är atomkärnan som helhet positivt laddad. Elektronerna kretsar kring atomkärnan i sina elektronskal. Elektronens elektriska laddning är negativ. Mellan de negativa elektronerna och den positiva atomkärnan finns en elektrisk dragningskraft, som håller ihop atomen. Antalet positiva och negativa partiklar i atomen är alltid detsamma. Därför är atomens elektriska laddning noll, atomen är alltså neutral.
Atomens uppbyggnad • Atomkärnan består av positiva protoner och neutrala neutroner. • De negativa elektronerna finns på elektronskalen. • Atomen har lika många protoner som elektroner. Atomen är neutral.
Elektronskal
Atomkärna
Elektron Neutron
Proton
Heliumatom
6+ förkolnad tändsticka
58
Periodiska systemet och kemiska bindningar
klotmodell skalmodell
Vätgas H2 används som bränsle i bränslecellsbilar.
Helium He används i heliumballonger.
Väteatomen är den minsta atomen Idag känner vi till över 100 grundämnen. Olika grundämnens atomer är uppbyggda på olika sätt. Väte är universums minsta och mest förekommande grundämne. Väteatomens kärna består av en proton och på elektronskalet finns en elektron. Alla atomer som har en proton i sin kärna är väteatomer. Väteatomen kan ha noll, en eller två neutroner. Olika grundämnens atomer är uppbyggda på olika sätt Helium är ett gasformigt grundämne som används bland annat i ballonger. Heliumatomens kärna har två protoner och för det mesta en eller två neutroner. På elektronskalet finns alltid två elektroner. Litium är också ett grundämne. Litium används till exempel i batterier. Litiumatomens kärna har tre protoner och för det mesta tre eller fyra neutroner. På elektronskalen finns tre elektroner. Antalet protoner i de olika grundämnena varierar. Atomer med samma antal protoner i atomkärnan är alltid samma grundämne. Samma grundämne kan däremot ha olika många neutroner i kärnan.
Grundämne Antal protoner Antal elektroner Antal neutroner
Skalmodell
väte H
Litium Li används i batterier.
Grundämnen har ett ordningstal Förutom ett namn och en kemisk symbol, har alla grundämnen ett ordningstal. Ordningstalet anger antalet protoner i atomkärnan. Väteatomens kärna har en proton och vätets ordningstal är således 1. Helium har två protoner i kärnan och därmed ordningstalet 2. Litium har ordningstalet 3, aluminium 13 och guld 79. Grundämne Atomer med samma antal protoner i atomkärnan är alltid samma grundämne. Antalet protoner avgör vilket grundämne det är. Ordningstalet är detsamma som antalet protoner i atomkärnan.
Elektronerna finns på elektronskalen Utifrån grundämnets ordningstal kan man avgöra antalet elektroner på elektronskalen. På atomens elektronskal finns lika många elektroner som antalet protoner i atomkärnan. Elektronernas antal avgör hur många elektronskal atomen har. Elektronskalen kan vara 0–7 i antal.
helium He
1 1 0, 1 eller 2
2 2 oftast 1 eller 2
1+
2+
litium Li
3 3 oftast 3 eller 4
3+
59
Det innersta elektronskalet har två elektroner Elektronerna fördelar sig på elektronskalen i en särskild ordning. Det första elektronskalet, som finns närmast atomkärnan, fylls först och rymmer två elektroner. Det andra elektronskalet rymmer åtta elektroner. Ju längre bort från kärnan elektronskalet finns, desto fler elektroner får rum. Elektronerna i det yttersta elektronskalet kallas ytterelektroner. En atom har aldrig fler än åtta ytterelektroner. Elektronernas fördelning på elektronskalen På det innersta, eller första elektronskalet, finns alltid en eller två elektroner. På det andra elektronskalet finns högst åtta elektroner. Det yttersta elektronskalet har 1–8 ytterelektroner.
Skalmodellen visar antalet protoner och elektroner Antalet elektroner på det yttersta elektronskalet har stor betydelse för grundämnets kemiska egenskaper. Med hjälp av skalmodellen, som visar hur elektronerna är fördelade på elektronskalen, kan grundämnenas egenskaper förklaras. I skalmodellen ritas elektronskalen som ringar runt atomkärnan. Varje ring motsvarar ett elektronskal. Antalet protoner i kärnan markeras med en siffra i mitten av skalmodellen. Plustecknet anger kärnans positiva laddning. Skalmodellen anger inte antalet protoner. Skalmodellen är en väldigt förenklad bild av atomen. Atomen är till exempel tredimensionell, vilket inte framgår av skalmodellen. Skalmodellen visar inte heller antalet neutroner i kärnan.
EXEMPEL Exempel 1 Undersök skalmodellen och svara på frågorna: a) Hur många ytterelektroner har atomen? a) Hur många elektronskal har atomen? a) Vilket grundämne är det fråga om? Lösning a) Atomen har två 12+ ytterelektroner. b) Atomen har tre elektronskal. c) Siffran i skalmodellens mitt anger antalet protoner, vilket är 12 i detta fall. Protonernas antal är detsamma som ordningstalet. Grundämnet är alltså magnesium, eftersom magnesium har ordningstalet 12.
60
Periodiska systemet och kemiska bindningar
Exempel 2 Fluor har ordningstalet 9. Rita en skalmodell för fluor. Lösning Fluor har ordningstalet 9, vilket anger att fluor har nio protoner. Antalet protoner anges som 9+ i skalmodellens mitt. En atom har lika många protoner som elektroner, så antalet elektroner är nio. Två elektroner får rum på det innersta skalet och de övriga sju elektroner ryms på det andra skalet. Svar En skalmodell för fluor:
9+
13+
En skalmodell av aluminium. Aluminium är en silvergrå lätt metall, som används bland annat till läskburkar. Alumuniumets byggsten är aluminiumatomen. Aluminiumatomen har alltid 13 protoner och ordningstalet är därför 13.
UPPGIFTER 105 Skriv åtminstone fyra meningar om atomens uppbyggnad. Använd modellen för helium som stöd.
11
109 Vilket grundämne har följande ordningstal? a) 1 b) 10 c) 13 d) 79 110 Besvara följande frågor utifrån skalmodellen på bilden.
11+
106 Vilken är den elektriska laddningen för en a) proton b) neutron c) elektron d) atom e) atomkärna? 107 a) Hur definieras ett grundämne? b) Vad anger grundämnets ordningstal? 108 Är påståendet sant eller falskt? Korrigera felaktiga påståenden. a) Protoner och neutroner har samma elektriska laddning. b) Atomen har alltid samma antal protoner och elektroner. c) Atomens ordningstal berättar vilket grundämne det är fråga om. d) Atomernas elektronskal fylls enligt ett särskilt system. e) Atomens yttersta elektronskal fylls alltid först.
a) Vilket ordningstal har grundämnet? b) Hur många ytterelektroner har atomen? c) Hur många elektronskal har atomen? d) Ta reda på vilket grundämne som avbildats. 111 a) Hur många elektroner kan finnas på de två första elektronskalen? b) Litium har ordningstalet 3. Rita en skalmodell som visar hur elektronerna är fördelade på de olika skalen. c) Kväve har ordningstalet 7. Rita en skalmodell som visar hur elektronerna är fördelade på de olika skalen.
11 Elektroner kretsar kring atomkärnan
61
16
En lösning kan vara sur, neutral eller basisk
Vatten är den bästa törstsläckaren. Vatten är smaklöst, genomskinligt och neutralt. Du känner tydligt en sur smak hos färskpressad juice, men också kaffe, te och läsk är sura. Sura drycker är skadliga för tändernas emalj. Coladryck är så sur att den kan fräta sönder en tand eller användas för att tvätta kalkavlagringar i badrummet. Vad gör en lösning sur?
Ämnen har olika egenskaper Bär, frukt, ättika och surmjölk smakar surt. Det är syror lösta i vatten som gör dessa ämnen sura. Motsatsen till sur är basisk. Tvättmedel är ofta basiska. Basiska tvättmedel känns ofta hala och smakar beskt om de av misstag hamnar i munnen. Vissa ämnen är varken sura eller basiska. Dessa ämnen kallas neutrala. Rent vatten är ett neutralt ämne. Det går inte att avgöra om ett ämne är surt, neutralt eller basiskt utifrån dess utseende. Därför är det viktigt att aldrig smaka på eller röra okända ämnen. Många sura och basiska ämnen är frätande eller skadliga på andra sätt.
bas
vatten bildar natriumkloridin basisk lösning
vatten
syra bildar sur lösning
Surhet hos olika vattenlösningar surt
82
neutralt
basiskt
Rödkålssaft ändrar färg då lösningens surhet förändras. Utifrån färgen kan man avgöra om lösningen är sur, neutral eller basisk.
När rödkålssaften är grön, är lösningen basisk.
Lösningens surhet kan påvisas med en indikator Blåbärsfläckar på händerna ändrar färg från rött till blått, då händerna tvättas med tvål. Innan tvätt är huden sur, men tvålen gör huden mer basisk. Blåbär innehåller ett ämne som ändrar färg beroende på surhet. Sådana ämnen kallas syra-basindikatorer. Det går att framställa en indikator av rödkål eller viol. I kemin används syntetiskt framställda indikatorer, som exempelvis bromtymolblått, BTB.
pH-värdet visar lösningens surhet pH-värdet anger lösningens surhet. Citronsaft har pH-värdet 2, vilket betyder att lösningen är sur. Surheten hos en lösning kan mätas med en pH-mätare eller ett indikatorpapper, även kallat pH-papper. Då man droppar en liten mängd av den lösning man vill undersöka på pH-pappret, förändras pH-papprets färg enligt lösningens pH-värde. Lösningens pH-värde kan avgöras genom att jämföra pH-papprets färg med en färgskala.
Syra-basindikatorer
pH-värde
En indikator är ett ämne som ändrar färg då vattenlösningens surhetsgrad förändras.
• pH-värdet visar hur sur en lösning är. • Neutrala lösningar har pH 7. • Sura lösningar har ett pH-värde mindre än 7. • Basiska lösningar har ett pH-värde större än 7.
Färg Indikator
sur lösning
neutral lösning
basisk lösning
BTB
gul
grön
blå blå/
rödkål
röd
violett
grön/ gul
blåbär
röd
röd
blå pH-pappret ändrar färg enligt lösningens pH.
16 En lösning kan vara sur, neutral eller basisk
83
H3O+
Cl
+
En lösning av +saltsyra HCl, + – innehåller kloridjoner Cl , vattenmolekyler H2O och oxoniumjoner + gör lösH3O . Oxoniumjonerna + + H2O H ningen sur.
–
vätejon
En sur lösning innehåller oxoniumjoner I laborationer används bland annat utspädd saltsyra HCl, svavelsyra H2SO4 och ättiksyra CH3COOH. Gemensamt för alla syror är att de innehåller väte. Om en syra löses i vatten, kommer den att avge en eller flera vätejoner H+ till vattenmolekylen.
+
H3O Oxoniumjon H3O+.
vattenmolekyl
oxoniumjon
En basisk lösning innehåller hydroxidjoner Ammoniak är en gas som består av ammoniakmolekyler NH3. Ammoniak är en bas som reagerar lätt med vatten. Vid reaktionen upptar ammoniakmolekylen en vätejon H+ från vattenmolekylen H2O. Resultatet är en ammoniumjon NH4+ och en hydroxidjon OH−.
Syra En syra är ett ämne, vars molekyler avger vätejoner H+ i en vattenlösning.
ammoniakgas ammoniaklösning
I vattenlösning avger syror vätejoner H+, som tillsammans med vattenmolekyler H2O bildar oxoniumjoner H3O+. +
–
vatten
+
+
+
–
+
+
–
H+ +
+
H
vätejon
H2O
vattenmolekyl
H3O+
NH3 ammoniak
oxoniumjon
Lösningar med oxoniumjoner är sura. Ju högre koncentration av oxoniumjoner i en lösning, desto surare är den. Ju surare lösning, desto lägre pHvärde.
+
NH4+
H2O →
OH–
+
+ vatten → ammoniumjon +
hydroxidjon
Bas En bas är ett ämne, vars byggsten upptar en vätejon i vattenlösning.
En basisk lösning innehåller hydroxidjoner. Ju högre koncentration av hydroxidjoner i en lösning, desto mer basisk är den och desto högre är pHvärdet.
Sura lösningar En sur lösning innehåller oxoniumjoner H3O+.
En basisk lösning En basisk lösning innehåller hydroxidjoner.
+
Na
OH–
84
En vattenlösning av natriumhydroxid NaOH innehåller natriumjoner Na+, vattenmolekyler H2O och hydroxidjoner OH–. Hydroxidjonerna gör lösningen basisk.
+
+ +
NaOH
Na
natrium-
natrium-
– Hydroxidjon OH−.
+
OH–
hydroksidi-
EXEMPEL +
+
+ + +
Lösning 1
+
+ +
Lösning 2
+
Lösning 3
Svara på frågorna utgående från bilderna. a) Är lösningarna sura eller basiska? Motivera. b) Vilken lösning är mest utspädd och vilken är mest koncentrerad? c) Jämför lösningarnas pH-värden.
Lösning a) Lösningarna är sura, eftersom de innehåller oxoniumjoner H3O+. b) Lösning 3 är mest utspädd, eftersom oxoniumjonerna är få jämfört med vattenmolekylerna. Lösning 1 är den mest koncentrerade. c) Lösning 1 har det lägsta pH-värdet, eftersom lösningen har störst antal oxoniumjoner i förhållande till antalet vattenmolekyler. Lösning 3 har det högsta pH-värdet.
16
UPPGIFTER 149 a) Nämn tre sura lösningar. b) Räkna upp tre basiska lösningar. c) Hur kan man på ett säkert sätt undersöka om en lösning är sur, neutral eller basisk? 150 Vad kan man säga om en lösning vars pH-värde är a) 6 b) 2 c) 7 d) 13? 151 Definiera begreppen a) syra b) bas c) syra-basindikator. 152 Vilket pH-värde passar med vattenlösningar av ämnena A–D? a) pH = 10,5 b) pH = 6,5 c) pH = 2,3 d) pH = 8 A)) B)
C)
153 a) Ett dekanterglas innehåller en lösning med pH-värdet 6. Vatten tillsätts och pH-värdet mäts på nytt. Vatten tillsätts ännu en gång och pH-mätningen upprepas. Vad undersöks i detta experiment? Vilket resultat kan man förvänta sig? b) Ett dekanterglas innehåller en lösning med pH-värdet 8. Ett okänt ämne tillsätts och pH-värdet ändras nu till 7,6. Vilken typ av ämne tillsattes i dekanterglaset? 154 Titta på bilderna och avgör om lösningarna är sura, neutrala eller basiska. Motivera. a) b) –
+
–
+
–
–
c) +
+
D)
–
+ +
– –
16 En lösning kan vara sur, neutral eller basisk
85
21
Metaller är användbara material
Uspenskijkatedralen i Helsingfors har förgyllda kupoler. Bladguld, som används vid förgyllning, framställs genom att hamra guldtackor till mycket tunna blad. Tjockleken hos tiotusen guldblad är mindre än en millimeter. Bladguld är vackert och hållbart. Det används därför för att förgylla och dekorera föremål, som böcker, kärl och byggnader. Vad är det som gör metallerna så lätta att forma?
Metaller används dagligen Guld och silver är populära smyckesmetaller, eftersom de glänser och har en vacker färg. Elledningar är ofta gjorda av koppar eller aluminium, eftersom de leder elektricitet väl. Metaller är också goda värmeledare, vilket gör att de kan användas till stekpannor och kastruller. Metaller har många användningsområden, eftersom de är glansiga, hållbara och lätta att forma. Bara ett fåtal metaller, som guld, silver och koppar, kan hittas som rena grundämnen i naturen. De allra flesta metaller hittas i naturen som jonföreningar. Metallers användningsområden
106
Legeringar är användbara Metaller används sällan som rena grundämnen utan som en blandning av flera metaller – en legering. Legeringar är homogena blandningar som tillverkas genom att smälta och blanda flera metaller. Legeringar används eftersom de har bättre egenskaper än den rena metallen, exempelvis hårdhet eller hållbarhet. Vanliga legeringar är rostfritt stål, mässing och brons. De flesta smycken är gjorda av legeringar. I ren form är guld och silver alldeles för mjuka för att användas till smycken och de blandas därför med exempelvis koppar. Vitt guld är en legering av guld, silver och palladium.
Metall
Användningsområden
aluminium Al
burkar, förpackningsmaterial, karossdelar, fälgar, fönsterbleck, ställningar, stegar, mobilmaster, elstolpar elledningar, beläggning, kopparrör, prydnadsföremål, elektronikkomponenter, legeringar bladguld, elektronikkomponenter, legeringar galvanisering, dvs. beläggning av stål, legeringar batterier, ammunition
koppar Cu guld Au zink Zn bly Pb
Metallatomer kan avge sina ytterelektroner De flesta grundämnen är metaller. Alla metaller har liknande egenskaper, eftersom deras yttre elektronskal har liknande uppbyggnad. De flesta metallatomer har 1–3 ytterelektroner. När metaller reagerar med andra ämnen, avger de sina ytterelektroner och bildar positiva joner. Metallernas reaktionsförmåga varierar Även om metaller har många gemensamma egenskaper, så varierar deras reaktionsförmåga. Alla metaller reagerar alltså inte lika lätt och de kan reagera på olika sätt med olika ämnen. Då man lägger en guldring i vatten kommer ingenting att hända. Om man däremot lägger en bit natrium i vatten sker en kraftig reaktion. Natriumbiten börjar genast fräsa i kontakt med vatten och rör sig över vattenytan tills hela natriumbiten har reagerat. Natrium är alltså mycket mer reaktivt än guld.
Legering
Metaller
Användningsområden
rostfritt stål
järn Fe krom Cr koppar Cu tenn Sn koppar Cu zink Zn
möbler, bestick
brons mässing gult guld vitt guld
guld Au silver Ag koppar Cu guld Au silver Ag palladium Pd
smycken, prydnadsföremål instrument, kopplingar i rör, ventiler smycken, tandfyllning, beläggning smycken
Metaller delas in i ädla och oädla metaller Metaller reagerar på olika sätt i kontakt med en syralösning. Då en guldring läggs i syra, kommer ingenting att hända. Ädla metaller, såsom guld, reagerar inte med syra och frigör inte heller vätgas. Om en bit magnesiumband läggs i saltsyra HCl, kommer en kraftig reaktion genast att ske. Man kan se bubblor i provröret. Bubblorna är vätgas H2. Metaller som reagerar med syra så att vätgas bildas, kallas oädla metaller. Magnesium är alltså en oädel metall. Ädla och oädla metaller • Ädla metaller reagerar inte med syra. De bildar inte heller vätgas i kontakt med syra. • Oädla metaller reagerar med syra och bildar vätgas.
Luvun nimi
107
metallbit
+ + + + + + + +
+ + + + + + + + +
+ + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + +
positiv metalljon + + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + +
+ + + + + + + + + +
En elektrisk dragningskraft håller ihop metallen Metallens byggsten är metallatomen. Elektronerna på metallatomens yttersta skal, de så kallade ytterelektronerna, är löst bundna till atomkärnan. De frigörs därför lätt och kvar blir en positiv metalljon. Ytterelektronerna rör sig fritt runt de positiva metalljonerna. Metallbindning Metaller hålls samman av den elektriska dragningskraften mellan de fria ytterelektronerna och de positiva metalljonerna. Denna växelverkan mellan ytterelektronerna och metalljonerna kallas metallbindning.
Metallbindningen är hållbar Bindningen mellan metalljonerna och ytterelektronerna är stark, vilket gör metallerna till hållbara material. Det krävs mycket energi för att bryta en metallbindning. Därför har de flesta metaller hög smältpunkt. Koppars smältpunkt är exempelvis 1083 °C. Järn kan formas, eftersom metalljonerna kan röra sig i förhållande till varandra.
+
Metaller i fast form har en regelbunden struktur som består av positiva metalljoner och fria ytterelektroner som delas av flera metalljoner.
elektron
Metalljonerna är tätt packade Elektronerna är mycket mindre än metalljonerna. Elektronerna och metalljonerna har också motsatta laddningar. De positiva metalljonerna kommer väldigt nära varandra i metallstrukturen, eftersom de negativa elektronerna, som finns mellan metalljonerna, förhindrar att metalljonerna stöts bort från varandra. Det här är orsaken till att de flesta metaller har en hög densitet (täthet). Guldets densitet är exempelvis 19,3 kg/dm3. Det betyder att en kubikdecimeter, dvs. en liter, guld väger 19,3 kilogram. Den täta metallstrukturen bidrar också till metallens glans och ogenomskinlighet.
Elektronerna rör sig i metallen I en fast metall är metalljonerna ordnade i en regelbunden struktur. De negativa ytterelektronerna håller ihop de positiva metalljonerna. Den här metallbindningen är så stark att den inte bryts, även om metallen böjs, tänjs eller formas på annat sätt. Metalljonerna rör sig i förhållande till varandra, men strukturen hålls fortfarande ihop. Metaller leder elektricitet väl, eftersom ytterelektronerna kan röra sig fritt i metallstrukturen. Metaller är också goda värmeledare, vilket beror på att metallens byggstenar är tätt packade. Värmeenergi ökar vibrationerna hos metalljonerna och elektronerna. Metaller leder värme väl, eftersom vibrationerna lätt kan sprida sig mellan byggstenarna i den tätt packade metallstrukturen. Metaller är formbara. De är goda el- och värmeledare.
+
108
+ Metallernas kemi
–
+
+
+
–
–
+ –
+
+ –
+ –
+ –
+
–
+ –
+ –
+ –
+ –
+
–
+ –
+ –
+
+ –
+ –
+
+
+ –
+
+
–
+
+ –
+
–
+ –
+ –
+
– – –
+ –
+ + + –
+
– – –
+ –
+ + + –
+
– –
+
+ +
Metallernas egenskaper
• formbara
• hög densitet, glänsande, ogenomskinliga
• hållbara
• goda värmeledare
• goda elledare
• de flesta metaller har hög smältpunkt
UPPGIFTER 193 Nämn åtminstone fyra föremål av metall som du använder ofta. 194 Vilken är den kemiska symbolen för följande metaller? a) guld b) tenn c) nickel d) kvicksilver 195 Vilken metall har följande kemiska symbol? a) Fe b) Cu c) Al d) Ag 196 a) Nämn åtminstone fyra egenskaper som är gemensamma för metaller. b) Välj tre metallföremål och beskriv vilken av egenskaperna i a) som de utnyttjar. 197 Är påståendet sant eller falskt? Korrigera felaktiga påståenden. a) Metallatomer har oftast 1–3 elektroner. b) Alla metaller är fasta i rumstemperatur. c) Av koppar kan man framställa en lång, tunn metalltråd. d) Brons är ett grundämne. e) Mässing är en blandning av koppar och zink. f) Ädla metaller reagerar i saltsyra.
21
198 Fortsätt meningarna. a) Metallens byggsten är … b) I metallatomen finns … c) Metalljoner bildas när ... d) En legering är … e) Då en oädel metall och saltsyra blandas … 199 Vilken metall beskrivs? Ange både metallens namn och kemiska symbol. a) Den här vackert gula metallen kallas aurum på latin och har därför den kemiska symbolen Au. b) En vanlig bruksmetall som rostar lätt. Metallens ordningstal är 26. c) Denna rödbruna metall blandas med zink vid framställning av mässing. d) En gråaktig, glansig och hård metall som används som beläggning på järnspik. Metallens kemiska symbol är Zn. e) En metall som kan ge kontaktallergi. Metallens ordningstal är 28. 200 a) Rita en bild som visar hur en metall är uppbyggd. Besvara följande frågor med hjälp av din modell. b) Varför är metaller goda elledare? c) Varför kan metaller formas utan att gå sönder?
21 Metaller är användbara material
109
26
Kol finns i många olika former
Människan är uppbyggd av celler. Cellerna består i sin tur av molekyler, som till stor del innehåller kolatomer. En femtedel av människans massa kommer från kol. Föreställ dig en kolatom som var en del av en cell i fysikern Albert Einstein. Då han kremerades efter sin död, bildades koldioxid från de molekyler som innehöll kol. Koldioxidgasen spreds i atmosfären och deltog i många olika kemiska reaktioner, där kolatomerna blev byggstenar i nya molekyler. Till slut kanske kolatomerna blev byggstenar i en människa – kanske i dig? Hurdant grundämne är kol? Kol är det viktigaste grundämnet i den levande naturen
De flesta kolföreningar är organiska föreningar
Kol bildar fler kemiska föreningar än något annat grundämne. Kol finns, förutom i människor, i många föreningar i den levande naturen. Tidigare kallades alla föreningar som härstammade från den levande naturen för organiska föreningar. Ordet organisk betyder att något har sitt ursprung i växteller djurriket. Senare lärde man sig framställa organiska föreningar på syntetisk väg i laboratorium. Då upptäckte man att det gemensamma för alla organiska föreningar är att de innehåller grundämnet kol. Nuförtiden klassas nästan alla kolföreningar som organiska föreningar, oberoende av deras ursprung.
Idag känner man till nästan 20 miljoner organiska föreningar. Det är nästan 95% av alla kända föreningar. Organiska föreningar finns bland annat i livsmedel, läkemedel, bränslen, textilfibrer, plaster, kosmetiska produkter och tvättmedel. I organiska föreningar finns förutom kol C, nästan alltid väte H, ofta syre O och/eller kväve N. I kolföreningarna kan det finnas också andra grundämnen. Till de oorganiska föreningarna räknas kolföreningar såsom koldioxid CO2, kolmonoxid CO och kolsyra H2CO3. Kolsyrans salter, de så kallade karbonaterna, räknas också till de oorganiska föreningarna. Ett exempel på en karbonat är kalciumkarbonat CaCO3.
Modeller av kol
E
6+
2 1
klotmodell
130
skalmodell
Kol och organisk kemi
C elektronformel
Organisk kemi • Organisk kemi behandlar kolföreningarnas kemi. • Organiska föreningar innehåller förutom kol också oftast väte samt ofta syre och/eller kväve.
SOLENS ENERGI
FOTOSYNTES
CELLANDNING
FÖRBRÄNNING
SKOGAR INDUSTRI
VÄXTER TRAFIK DJUR
ORGANISKT AVFALL
HAVETS CO2-BALANS PLANKTON
FOSSILA BRÄNSLEN
Kolets kretslopp Kol finns bundet i organiska föreningar i den levande naturen. Kol återfinns också i berggrunden, jordmånen, luften samt i vattendrag, insjöar och hav. Kolatomerna cirkulerar mellan dessa olika platser i form av olika kolföreningar. Detta kallas kolets kretslopp. Kolatomernas förflyttning mellan de olika platserna sker med hjälp av kemiska reaktioner, då kolatomerna binds till nya föreningar. Många kemiska reaktioner i kolets kretslopp kräver energi från solen. Växter binder koldioxid från luften genom fotosyntesen. I reaktionen bildas nya kolföreningar, som bygger upp växterna. Både människor och djur använder dessa växter, och därmed kolföreningarna, som näring. Ämnesomsättningen hos både människor och djur frigör koldioxid, som återförs till atmosfären. Då organiskt material ruttnar, frigörs kolföreningar till jordmånen. Dessa kolföreningar används för växternas tillväxt. I förruttnelseprocessen bildas koldioxid, som avges till atmosfären. Koldioxid från atmosfären löser sig i havsvattnet. Eftersom nästan lika mycket koldioxid frigörs från havsvattnet, råder en koldioxidbalans i haven. I luften finns kol, förutom koldioxid, i form av sot eller bundet till kolmonoxid och metangas.
Kolets kretslopp drivs av energi från solen.
Förbränning av fossila bränslen ger mer kol i kretsloppet När kol eller kolföreningar förbränns bildas koldioxid. Koldioxid är en av växthusgaserna. Då växter och organiskt avfall förbränns ökar inte mängden koldioxid i atmosfären. Fossila bränslen, såsom stenkol, olja och naturgas, har bildats av organiskt avfall som har lämnat kretsloppet för flera miljoner år sedan och sjunkit långt ner under marken. Genom att förbränna fossila bränslen återförs kolet i kretsloppet och ökar därmed atmosfärens koldioxidhalt. En ökad koldioxidhalt i atmosfären förstärker växthuseffekten.
Fossila bränslen är stenkol, naturgas, torv och produkter förädlade från råolja. 26 Kol finns i många olika former
131
Kol som grundämne kan förekomma i flera former Rent kol kan förekomma i form av diamant, grafit, nanorör, fulleren eller grafen. Diamanter har bildats under marken som en följd av högt tryck och hög temperatur. Diamanter har bildats för flera miljoner år sedan. Numera kan man framställa syntetiska diamanter. Kolatomerna i en diamant är kovalent bundna till varandra i en regelbunden struktur. Därför är diamant ett hårt och hållbart material, som reflekterar ljus väl. Diamant leder inte elektricitet. Eftersom diamant är det hårdaste materialet som hittas i naturen, används det i borrar och skärare. Diamant är även en populär ädelsten. Grafit är den mjukaste formen av kol. Grafit är svart och färgar lätt av sig. Därför används det i blyertspennans stift. Kolatomerna i grafit är hårt bundna till varandra i skikt, som ligger ovanpå varandra i lager. Mellan skikten är bindningarna svagare. Varje kolatom har tre kovalenta bindningar, medan den fjärde ytterelektronen har avgetts för gemensamt bruk och kan röra sig fritt mellan grafitlagren. Precis som för metaller medför detta att grafit leder elektricitet.
Kol är framtidens material Enskilda grafitlager kan lösgöras från varandra. Ett sådant lager kallas grafen. Grafen leder elektricitet och är mycket hållbart, trots att det är så tunt. Av grafen kan man tillverka tunna filmer, som är genomskinliga och leder elektrictet. Grafenlagren kan också bilda rör, som kallas nanorör. Nanorör används bland annat för att förstärka ishockeyklubbor. Fullerener är stora, klotformade molekyler. Kolatomerna bildar ringar, som sedan binds till varandra på ett sätt som påminner om fotbollens struktur. Fullerener finns bland annat i sot. Med hjälp av nanoteknologi kan man framställa material i storleksordningen nanometer. En nanometer är en miljondels millimeter. Nanoteknik baserat på kol utvecklas ständigt och ger förhoppningsvis nya möjligheter inom elektronik- och läkemedelsbranschen.
Aktivt kol är mycket finfördelat kol, som lätt kan binda andra ämnen, även gaser, till sin yta. Aktivt kol används i andningsskydd och medicinskt kol vid förgiftning.
Kol som grundämne 1
Diamant
2
kolatom
132
Kol och organisk kemi
Grafit
3
Grafen
4
Nanorör
5
Fulleren
KOL
finns
som grundämne
t.ex. diamant och grafit
i organiska föreningar
t.ex. socker, etanol, protein, kolhydrater
i oorganiska föreningar
t.ex. koldioxid CO2
EXEMPEL Är följande föreningar organiska? a) C2H6
b) CaI2
c) CaCO3
OBS! Alla föreningar som inte är organiska föreningar räknas till de oorganiska föreningarna.
Svar a) Föreningen innehåller kol, men det är inte en oxid, karbonat eller kolsyra. Det är därför en organisk förening. b) Föreningen innehåller inte kol och är därför inte en organisk förening. c) Föreningen innehåller kol, men är en karbonat. Detta är alltså inte en organisk förening.
UPPGIFTER
26
241 Vilka grundämnen ingår i organiska föreningar? Räkna upp namnen och de kemiska symbolerna.
244 a) Vad är gemensamt för diamant och grafit? b) Nämn tre egenskaper för diamant respektive grafit.
242 Vilka av följande föreningar är organiska? Motivera. a) CO2 b) H2 c) NaCl d) C2H7N e) CH4 f) H2O g) CH3COOH h) Na2CO3
245 a) Varför ökar koldioxidhalten då man använder fossila bränslen? b) Hur hänger kolets kretslopp och växthuseffekten ihop? c) Hur hänger kolets kretslopp ihop med klimatförändringen?
243 Undersök bilderna A–H. Var i bilden hittar du organiska föreningar? A
B
C
D
246 I vilken form hittas kol i a) vattendrag och hav b) människan c) växter d) atmosfären?
26 Kol finns i många olika former
133