KATALYS KEMI 1
Magnus Ehinger
B1.
D1.
D2.
D6.
E2. Fällningsreaktioner
E3.
E4. Jonbindningar ger salter deras särskilda egenskaper
E5. Metallbindningar ....................................................................................................................................................
E6. Kovalent bindning
E7. Polär kovalent bindning ......................................................................................................................................
E8. Polära och opolära molekyler
E9. Dipol–dipol-bindningar........................................................................................................................................171
E10. van der Waals-bindningar ..................................................................................................................................
E11. Det ovanliga vattnet och vätebindningar
E12. Lika löser lika ............................................................................................................................................................
E13. Gasers löslighet i vatten
E14. Salters löslighet i vatten ......................................................................................................................................
F.
F1. Tidiga experiment och beräkningar ..............................................................................................................
F2. Storhet, enhet och mätetal
F3. Atommassa, molekylmassa och formelmassa
F4. Substansmängd, molmassa och massa ......................................................................................................
F5. Stökiometri – Massan bevaras
F6. Ekvivalenta substansmängder och massor ...............................................................................................
F7. Kristallvatten
F8. Beräkning av ett ämnes kemiska formel ....................................................................................................
F9. Från empirisk formel till molekylformel .....................................................................................................
F10. Lösningars halt
F11. Spädning av lösningar .........................................................................................................................................
F12.
F13.
- B Atomens byggnad
När universum uppstod bildades bara de allra lättaste grundämnena som väte, helium och litium. Tyngre grundämnen har bildats i stjärnornas inre eller i supernovor (exploderande stjärnor).
Centralt innehåll
• Grundämnens egenskaper.
• Kemins betydelse för vetenskap, individ och samhälle med exempel från historiska och aktuella händelser.
• Modeller som beskrivningar av verkligheten. Modellers och teoriers giltighet och det experimentella arbetets betydelse för deras utveckling över tid.
Mål
Målet är att du ska lära dig följande begrepp:
• Atom
• Elektron
• Proton
• Neutron
• Atommodell
• Excitation
• Elektronskal
• Universella atommassenheten u
• Atomnummer
• Masstal
• Isotop
Dessutom ska du förstå:
• elektronkonfigurationen för grundämnena i det periodiska systemet
• hur den moderna atomteorin växte fram
B1. Kemins födelse
Allt det du ser omkring dig är uppbyggt av atomer, från bordet du har framför dig till trädet, fåglarna, och jorden utanför ditt fönster. Och luften omkring dig består också av atomer, fast du kanske inte tänker på det. Men hur kan vi veta att allt är uppbyggt av atomer? Hur tror du det gick till när vi upptäckte det?
Människan börjar använda metaller
När människan började utnyttja metaller för att forma sin värld, började hon också utnyttja olika kemiska processer. Den grenen av kemin, som handlar om hur man framställer metaller, kallas för metallurgi. En av de allra första metallerna som man lyckades ta fram var koppar. Men koppar är mjuk och ganska svår att smälta, så den användes egentligen inte till mer än enstaka föremål.
Det var först när man kom underfund med att man kunde smälta samman koppar och tenn till brons, som man fann riktig nytta med metallen. Brons är nämligen lättare att smälta, och dessutom är den hårdare. Därmed lämpade den sig bättre för vapen och verktyg.
Till Norden kom konsten att arbeta med brons ungefär 1 800 år före Kristi födelse. Bronsåldern varade hos oss fram till ungefär 500 år före Kristi födelse, och efterträddes av järnåldern. Järn är en metall som är betydligt mer användbar än brons, men den kräver också större tekniskt kunnande för att kunna framställa. Den går nämligen inte att hitta i ren form i naturen, som man kan göra med koppar, utan finns bara i järnmalm. Den måste bearbetas med kol för att man ska få fram metalliskt järn.
I Norden användes mycket myrmalm, som bildades av olika järnoxider i våta myrar. Myrmalmen brändes tillsammans med träkol, och då fick man järn med olika halter kol i sig. Hur hög halten kol i järnet är får i sin tur betydelse för hur hårt och sprött järnet är.
Bronsyxhuvuden upphittade i nuvarande Tyskland.
Myrar är våtmarker med låg syrehalt. I sådana här myrar har man hittat järnhaltig malm, så kallad myrmalm.
Den grekiske filosofen Empedokles drog (felaktigt) slutsatsen att världen var uppbyggd av fyra element: Luft, eld, jord och vatten.
Vad består världen av?
De som annars var de första människorna som började fundera över hur världen omkring oss var uppbyggd, var de grekiska filosoferna. En av dem var Thales från Miletos. Han levde ungefär 625–545 före vår tideräknings början. Förutom att han betraktades som en mycket vis man, och även har kallats för ”filosofins fader”, menade han att vatten var ett urämne. Vatten kan ju omvandlas från fast till flytande och till ånga, och ur vatten kommer liv när man vattnar åkrarna.
Empedokles var en annan grekisk filosof. Han levde ungefär 150 år efter Thales, och utvecklade Thales föreställning om urämnen lite grann. Han gjorde faktiskt experiment, och kunde visa att luft inte är tomrum, utan en form av materia. Därmed drog Empedokles slutsatsen att det inte bara fanns ett urämne, som Thales hade lärt ut (vatten), utan fyra: luft, eld, jord och vatten. Även om det inte är sant att världen är uppbyggd av dessa fyra element, var de grekiska filosoferna något på spåren. Vår värld är nämligen uppbyggd av ett fåtal grundämnen, ungefär 90 naturligt förekommande. Föreställningen om de fyra elementen kom dock ändå att stå sig i närmare 2 000 år, i och med att kemin föddes.
kemins historia
Empedokles och hans experiment
Bland antikens filosofer var det tanken som var det viktiga, och inte experiment. Kroppsligt arbete var det bara slavar som ägnade sig åt, så därför gjorde inte filosoferna några experiment.
Vi vet dock att Empedokles faktiskt gjorde experiment som visade att luft är en form av materia.
Det han gjorde var att han tog en så kallad vattentjuv, som består av en ihålig sfär av mässing med ett långt rör upptill. Nedtill är mässingssfären genomborrad av en mängd hål, ungefär som en duschstril.
När man sänker ner vattentjuven i en tunna med vatten rinner vattnet in genom hålen i botten. Därefter sätter man tummen över hålet på det långa röret upptill, och kan ta med sig vattnet någon annanstans. När man släpper hålet med tummen rinner vattnet ut genom hålen nedtill.
Om man istället håller för hålet upptill när man sänker ner vattentjuven i vattnet rinner det inte in något vatten. Luften tar upp plats, och hindrar vattnet från att rinna in. Detta beror på att luft är materia!
De medeltida alkemisterna
Den europeiska medeltiden betraktas ofta som en ”mörk tidsålder”, då mycket få vetenskapliga framsteg gjordes. Det fanns en föreställning om att man bara kunde bevara det man redan visste, och därför satt Europas munkar i sina kloster och kopierade mödosamt de antika skrifterna, med alla deras fel och brister.
Istället frodades vetenskapen i Asien och i den arabiska världen. Nollan uppfanns av indiska matematiker, och i arabvärlden var det alkemisten Abu Musa Jābir ibn Hayyān som utvecklade den kemiska vetenskapen. På svenska kallas han dock oftast för Geber. Även om Geber var alkemist, och mycket av det han skrev hade mystiskt och magiskt innehåll, så utvecklade han ändå många av de arbetsmetoder som kemister fortfarande använder idag. Dit hör till exempel apparater för destillation med hjälp av så kallad retort, kristallisering och beskrivningar av citronsyra, ättiksyra, arsenik och mycket mer.
Alkemisternas mål var antingen att kunna framställa liv eller guld i laboratoriet, ofta med hjälp av ”de vises sten”. Tysken Hennig Brand, som ibland kalllas för ”den siste alkemisten”, var på jakt efter guld när han år 1669 mer eller mindre av en slump lyckades framställa ren fosfor. Han hade fått idén att koncentrera mänsklig urin, kanske för att den gula färgen ansågs ha något med guld att göra. Ur den koncentrerade urinen destillerade han ett självlysande ämne som han valde att kalla fosfor efter den grekiska mytologins phosphoros, ljusbäraren.
Så här föreställde sig en konstnär på 1800-talet att det kunde ha sett ut när Geber undervisade i kemi.
Från alkemi till kemi
Men redan innan dess hade den irländske kemisten Robert Boyle publicerat sin avgörande bok ”The Sceptical Chymist”. I den gjorde han sig kvitt förledet ”al-” i alkemi, och med det allt som var magiskt med kemin. Han menade att kemin (och vetenskapen) måste bygga på experiment, och på slutsatser som bygger på resultaten av experimenten. Han fann att ljud inte kan fortplanta sig i vakuum, och var den förste som gjorde skillnad på blandningar och rena ämnen eller kemiska föreningar. Mest känd är kanske annars Boyle för sina försök med gaser och tryck. De experiment han gjorde kunde förklaras om man tänkte sig att gaserna bestod av partiklar – Boyle kallade dem ”korpuskler” – med tomrum emellan, som gjorde att de kunde tryckas ihop.
Med den här luftpumpen utförde Robert Boyle flera av sina experiment.
ÖVNINGSUPPGIFTER
Öva begreppen
1. Vad var alkemisternas största bidrag till den moderna kemin?
Öva förståelsen
2. Varför kallas Robert Boyle ibland för “den förste kemisten”?
Analysera och diskutera
• Finns alkemi fortfarande kvar i vårt samhälle? Var finns den i så fall, och hur tar den sig uttryck?
Hur tog man reda på att vatten inte är ett grundämne?
Ett vanligt experiment på skolans kemilabb är att man löser upp lite magnesium i saltsyra. Då bildas det vätgas, som man sedan lätt kan sätta fyr på. I detta så kallade ”knallgastest” får man en liten puff (eller ibland att det visslar till från provröret), och så ser man att det bildas vattenånga på insidan av provröret. Det var bland annat detta som den franske kemisten Antoine Lavoisier (1743–1794) utnyttjade för att visa vad vatten i själva verket bestod av.
Joseph Priestley, som brukar räknas som syrets upptäckare, hade visat för Lavoisier hur man framställde syre. Det Lavoisier var en verklig expert på, det var att mäta, väga och göra beräkningar på de experiment han gjorde. Så när han lät väte och syre reagera med varandra kunde han dels konstatera att det behövdes dubbelt så stor volym väte som syre för att bilda vatten, och dels att det bildade vattnet vägde lika mycket som de ursprungliga gaserna gjorde innan reaktionen.
Men han nöjde sig inte med att tillverka vatten ur dess beståndsdelar; han kom också fram till en metod för att dela upp vattnet i sina beståndsdelar.
Genom att låta vattenånga passera genom ett rödglödgat järnrör fick han syret i vattnet att bilda järnoxid. Från andra änden av röret kom det då ut vätgas. I och med detta hade Lavoisier visat att vatten inte är ett grundämne, utan består av två delar väte och en del syre. Det är därför vi numera skriver dess formel H2O.
Lavoisier förklarar sina resultat av experiment med gaser för sin fru, Marie-Anne Lavoisier.
B2. Atommodellen
Om du delar på ett äpple får du förstås två äppelhalvor. Låt oss säga att du fortsätter att halvera äppelhalvorna några gånger i mindre och mindre bitar. Går det att komma till så små bitar att de inte längre går att dela? Går det att nå en så liten del att den blivit odelbar?
Den första ”atomteorin”
Bland de grekiska filosoferna fanns det en filosof som förde exakt det här resonemanget. Han hette Demokritos, och hans resonemang om en odelbar enhet grundade sig i en idé som hans egen lärare Leukippos hade haft innan dess. En sådan odelbar enhet kallade Demokritos för en atom, vilket betyder just ”odelbar”.
Andra filosofer, inte minst Aristoteles, menade dock att Demokritos atomteori var helt orimlig. Hur skulle luften kunna vara uppbyggd av små partiklar, då skulle den ju bara falla till marken som sand som sprids i vinden?
Daltons atommodell
Aristoteles idéer om luft, jord, eld och vatten fick stå oemotsagda i nästan 2 000 år. Boyle var den förste som med sina ”korpuskler” började motsäga teorin om att luft var ett grundämne. Men det var engelsmannen John Dalton som var den förste som år 1808 lanserade en riktig atomteori. Genom att jämföra olika gaser och deras egenskaper kunde han nämligen koppla gasernas egenskaper till atomer, och atomernas massa. Enligt Dalton var atomen alltså en solid, odelbar kula, vars massa bestämde vilka egenskaper den hade.
kemins historia
Dalton
och daltonism
John Dalton var inte bara den som gav oss den första naturvetenskapliga atommodellen. Han gav oss även den första vetenskapliga beskrivningen av färgblindhet i en artikel med titeln ”Extraordinary facts relating to the vision of colours” som presenterades för Manchester litterära och filosofiska sällskap år 1794.
Han antog helt korrekt att färgblindheten var ärftlig (eftersom även hans bror var färgblind), men kunde inte förklara orsaken. Än idag kallas dock färgblindhet ibland för daltonism, till exempel på franska och spanska.
Den som har normalt färgseende kan urskilja talet 12 bland prickarna, medan den som har rödgrön färgblindhet har mycket svårare att se något.
John Dalton.
Karikatyr av J. J. Thomson med den välkända plumpuddingen.
I katodstråleröret alstrades en katodstråle (gul) som visade sig bestå av elektroner. När Thomson lade på en spänning över plattorna i mitten böjdes strålen av åt ena eller andra hållet.
Det skulle dock visa sig att atomen inte alls var odelbar (men nu var det för sent att byta namn på den). Den franske fysikern Henri Becquerel upptäckte år 1896 att uransalter på något sätt avgav strålning. Vid samma tidpunkt gjorde Marie Curie viktiga upptäckter om strålningen som kommer från bland annat radium. Hon myntade begreppet ”radioaktivitet” och förstod så småningom att atomen inte alls är odelbar.
Thomsons atommodell
Kort därpå, år 1898, upptäckte den engelske fysikern J. J. Thomson elektronen. Han studerade en slags strålar som sändes ut från katoden (den negativa polen) i ett instrument som kallades för ett katodstrålerör. Thomson kunde dra slutsatsen att strålarna i själva verket bestod av små, laddade partiklar – ungefär 1/1000 så stora som en väteatom. De små partiklarna fick namnet elektroner, och skrivs e . Därmed formulerade Thomson en ny atomteori, som förbättrade Daltons atomteori.
Katodstråleröret
+ –
Enligt Thomson bestod varje atom av en stor, positivt laddad partikel med elektronerna instoppade ”som russinen i en russinkaka”. Därför kallas den här atommodellen ibland för ”plum puddingmodellen”, efter den engelska fruktkaka som brukar ätas i juletid.
kemin på djupet
Varför heter alla subatomära partiklar något med ”-on”?
Kanske har du redan lagt märke till att både ”elektron”, ”proton” och ”neutron” slutar på ”-on”? Och den som är kärnfysiker har ännu fler exempel, till exempel ”myon”, ”boson” eller ”hadron”.
Anledningen till det här är det grekiska ordet för bärnsten, nämligen ”elektron”. Grekerna hade nämligen noterat att om man gnider päls mot bärnsten, så kan bärnstenen dra till sig små partiklar. Den engelske vetenskapsmannen William Gilbert myntade begreppet ”elektricitet” när han beskrev det här fenomenet i avhandlingen De Magnete. När elektronen upptäckts och skulle få sitt namn föreslog den irländske fysikern George
Rutherfords atommodell
Johnstone Stoney att den nyupptäckta partikeln skulle kallas just ”elektron”.
Sedan dess har alla subatomära partiklar som upptäckts fått ett namn som slutar på ”-on”.
Ett stycke bärnsten med en insekt fångad i den.
Den brittiske fysikern Ernest Rutherford fick Nobelpriset i kemi för sitt arbete med radioaktiv strålning. Genom det arbetet hade han förstått att så kallad α-strålning bestod av relativt stora partiklar. Tack vare detta kunde han utföra ett annat experiment, ett experiment som han faktiskt är mer känd för än de som gjorde att han fick Nobelpriset.
Om Thomsons atommodell hade varit korrekt, skulle alfapartiklarna ha färdats rakt fram, genom guldfolien. Nu var det istället så att ett fåtal av alfapartiklarna studsade mot något massivt – atomkärnan.
Thomsons modell
Guldfolie
Guldfolie
Rutherfords modell
Enligt Rutherfords atommodell kretsar elektronerna kring atomkärnan som planeter i ett solsystem.
Rutherford ville nämligen titta djupare in i atomens struktur, och undersöka den positiva ”smet” eller ”deg” Thomson hade föreställt sig att atomen var uppbyggd av. För att göra det bombarderade han en bit guldfolie med alfapartiklar. Om atomen såg ut så som Thomson hade föreställt sig, så skulle alfapartiklarna ha gått rakt igenom guldfolien. Men ungefär en av 8 000 alfapartiklar rikoschetterade, det vill säga de studsade på något hårt och massivt. Därför kunde Rutherford dra slutsatsen att det mesta av atomens massa var samlad i en mycket liten positivt laddad kärna i mitten, och de negativt laddade elektronerna kretsade kring den – ungefär som planeterna kretsar kring solen i solsystemet.
Bohrs atommodell
Rutherford publicerade sin atommodell år 1911, och nästan omedelbart stötte den på problem. Om det var så som Rutherford föreslog, att elektronerna kretsade kring atomkärnan, så borde elektronerna bums falla in mot den positiva kärnan och smälta samman med den. Hur kunde de vara stabila i sina banor kring kärnan? Gåtan löstes redan år 1913 av en av Rutherfords studenter, den danske fysikern Niels Bohr, genom att han studerade väteatomens emissionsspektrum.
Väte som exciteras sänder bara ut ljus i vissa våglängder, vilket kan ses i det här emissionsspektrumet.
För att förklara vad ett emissionsspektrum är kan du tänka dig att du lyfter upp en sten från marken. När du gör det, tillför du energi till stenen. Stenen får lägesenergi, och ju högre upp du lyfter den, desto högre lägesenergi får den.
Om du sedan släpper stenen igen, omvandlas lägesenergin till rörelseenergi. När stenen till slut slår i marken igen omvandlas rörelseenergin till värmeenergi, som till slut strålar ut från marken och stenen.
Det är på samma sätt om man ”lyfter upp” en elektron, det vill säga att man flyttar den bort från atomkärnan. Det här kallas att man exciterar elektronen. Ju mer man exciterar elektronen (det vill säga ju längre bort man flyttar den), desto högre potentiell energi får den. När sedan elektronen faller tillbaka in mot kärnan, så omvandlas den potentiella energin till ljusenergi, som strålar ut från atomen. Ju högre energi det är i ljuset, desto blåare blir det.
Nu noterade dock Bohr, att om man exciterar elektronen i en väteatom, och sedan låter den falla tillbaka mot atomkärnan, så skickar den bara ut ljus av vissa specifika våglängder. Det betyder att det bara är vissa energier som skickas ut, och att det alltså bara är vissa energinivåer som elektronen kan röra sig mellan när den exciteras. Vi kallar de olika energinivåerna för elektronskal. Det innersta skalet kallas K-skalet, och på det följer L-, M-, N-skalet och så vidare.
Enligt Bohrs atommodell kretsar elektronerna kring kärnan i bestämda energinivåer kallade ”skal”.
Olika atomslag har olika många och olika stora elektronskal. Det gör att när elektronerna i dem exciteras skickas det ut ljus av olika våglängder. Det utnyttjas i till exempel fyrverkerier, där pjäser med strontium ger rött ljus, natrium ger gult ljus, koppar ger blått ljus och magnesium ger nästan vitt ljus.
Protonen och neutronen upptäcks
När Bohrs atommodell presenterades visste man fortfarande egentligen inte vad atomkärnan bestod av, förutom att den var positivt laddad. Men Rutherford fortsatte med sina experiment, och bombarderade bland annat kväveatomer med alfapartiklar. Då inträffade det märkliga att några kväveatomer omvandlades till syreatomer, samtidigt som en positivt laddad partikel kastades ut.
Denna positivt laddade partikel fick namnet proton, och skrivs p+ .
Kort därefter insåg man att atomkärnan måste innehålla mer än bara protoner. För det första resonerade man att det behövdes någon slags partikel att hålla samman protonerna, eftersom bara positiva laddningar snabbt skulle stöta bort varandra. För det andra upptäckte man att en partikel med laddningen 2+ vägde fyra gånger mer än en proton, som har laddningen 1+. Det ledde till slutsatsen att det måste finnas något mer än bara protoner i atomkärnan. .
Det blev till slut en av Rutherfords studenter, James Chadwick, som upptäckte neutronen. Med hjälp av sina experiment kunde han slå fast att den var elektriskt oladdad och vägde ungefär lika mycket som en proton. Neutronen skrivs n.
Den kvantmekaniska atommodellen
Frågan om vad en elektron egentligen är fascinerade den österrikiske fysikern Erwin Schrödinger. Han fann att elektronen kunde beskrivas med en matematisk funktion, en så kallad vågfunktion. Med hjälp av denna visade han att det var omöjligt att samtidigt bestämma både en elektrons riktning och position. Istället kan man bara beskriva sannolikheten att en elektron befinner sig på ett visst ställe.
De vågfunktioner som beskriver de olika energinivåerna (elektronmolnen) har olika utseende. I bilden visas K-skalets enda vågfunktion (1s, längst till vänster) och sedan de fyra olika vågfunktioner (2s, 2px, 2py och 2pz) som elektronerna i L-skalet kan befinna sig i.
Därför utvecklades atommodellen från Bohrs väldefinierade skal med elektronerna i bestämda cirkulära banor till en sannolikhetsmodell med moln där det är en viss sannolikhet att elektronen befinner sig. Det är denna modell som kallas för den kvantmekaniska atommodellen.
ÖVNINGSUPPGIFTER
Öva begreppen
3. Vem brukar räknas som den moderna atomteorins “fader”?
4. Vad trodde John Dalton att det var som gav atomerna deras olika egenskaper?
5. På vilket sätt förenklade Jöns Jacob Berzelius hur man skriver atomer?
6. “Atom” betyder “odelbar”. Men vilka forskare var det som först visade att atomen inte alls är odelbar?
7. J. J. Thomson undersökte ett fenomen som kallas katodstrålar. Vad består katodstrålar av?
8. Vad upptäckte Ernest Rutherford med sitt “guldfolie-experiment”?
9. Vad upptäckte Niels Bohr genom att studera väteatomens emissionsspektrum?
10. Vilka är de byggstenar som bygger upp atomerna? Skriv vad de heter och vad de har för laddning (om de har någon).
Öva förståelsen
11. I den ”klassiska” bilden av en atom visas elektronerna som små partiklar som kretsar kring atomkärnan. Varför är denna bild felaktig?
Analysera och diskutera
• På vilket sätt har vår kunskap om atomens innersta påverkat vårt dagliga liv? Ta reda på något eller några sätt, och diskutera varför den har gjort det.
B3. Atomnummer, masstal och atommassa
Dalton tänkte sig att det var massan på varje atom som bestämde vad den hade för egenskaper. I och med att Rutherford upptäckte protonen kunde den teorin justeras lite. Det är nämligen så att det är antalet protoner i atomens kärna som bestämmer vilken typ av atom det är. Men hur kan de göra det?
Atomnummer – Antalet protoner i kärnan
Varje atomslag fått ett atomnummer, som är lika stort som antalet protoner i kärnan. En väteatom, som har en enda proton i kärnan, har alltså atomnummer 1. Helium, som har två protoner i sin kärna, har atomnummer 2. Omvänt kan vi säga att eftersom kol har atomnummer 6, så har det också sex protoner i sin kärna.
Masstal – Antalet protoner och neutroner
Rutherford insåg ganska snart att det måste finnas ytterligare en partikel i atomkärnan. Om atomkärnan bara bestod av positivt laddade protoner, skulle de inte kunna hållas samman, eftersom lika laddningar stöter bort varandra.
Det här problemet löstes av James Chadwick. År 1932 upptäckte han neutronen, som fungerar lite som ett ”klister” som håller samman atomkärnan. Neutronen är oladdad och skrivs n.
Därmed hade atomens alla byggstenar upptäckts. Den riktigt vetgirige frågar sig förstås vad protoner och neutroner sedan består av (de består av kvarkar), men det hör till kvantfysiken.
En fysiker kan prata om en viss nuklid. Med det menas ett atomslag med ett visst antal protoner och neutroner. En kemist pratar hellre om olika isotoper, det vill säga olika nuklider av samma grundämne. Det betyder att olika isotoper innehåller samma antal protoner (de har samma atomnummer), men olika antal neutroner.
Den allra enklaste väteatomen består bara av en proton och en elektron. Alla andra atomer har också neutroner i sig. För att hålla ordning på alla protoner och neutroner i olika atomer har man infört begreppet masstal. Det är helt enkelt summan av antalet protoner och antalet neutroner i en viss nuklid. Därför kan man också säga att olika isotoper av ett ämne har samma atomnummer, men olika masstal. Om vi tecknar masstalet A, antalet protoner Z och antalet neutroner N, kan vi definiera masstalet så här:
A = Z + N
Masstal
Symbol
Atomnummer
Vätets kemiska symbol är H. Atomnumret skrivs nere till vänster. Eftersom vätets atomnummer är 1 vet vi att det bara innehåller en enda proton. Den här nuklidens masstal är 1. Då kan vi också dra slutsatsen att den inte innehåller några neutroner alls.
I tabellen nedan kan du se några exempel på nuklider, deras atomnummer, antal protoner, antal elektroner, antal neutroner och masstal. Som du kan se är antalet protoner alltid lika stort som atomnumret, och masstalet är alltid lika med summan av antalet protoner och antalet neutroner. I en oladdad atom är antalet protoner och elektroner lika stort. Eftersom protoner är plusladdade och elektroner minusladdade tar laddningarna ut varandra. Om atomen tar upp eller avger elektroner blir den laddad och kallas för en jon. Minusladdade joner har tagit upp en eller flera elektroner medan plusladdade joner har avgett elektroner.
EXEMPEL 1
Hur många protoner, neutroner och elektroner har följande partiklar?
a. 17 35 Cl –
b. 12 242 Mg +
Lösning
a. Eftersom klor har atomnummer 17 är det 17p+ i kloratomens kärna. Då masstalet är 35 måste antalet neutroner vara 35 – 17 = 18 stycken. Minustecknet i 17 35 Cl – visar att kloratomen tagit upp en extra elektron. Därför blir antalet elektroner 17e– + 1e– = 18e–
b. Eftersom magnesium har atomnummer 12 är det 12p+ i magnesiumatomens kärna. Då masstalet är 24 måste antalet neutroner vara 24 – 12 = 12 stycken. Att det står ”2+” i 12 242 Mg + visar att magnesiumatomen avgett två e–. Därför blir antalet elektroner 12e– – 2e– = 10e–.
Atommassa – Hur mycket en enda atom väger
Allt liv bygger på kemi med kolatomer, C. Det finns tre olika isotoper av kol, nämligen kol-12, kol-13 och kol-14. Om man skulle kunna väga en enda 12C-atom skulle man finna att den väger 1,992 · 10–23 g.
Det är ju en väldigt otymplig siffra, som är besvärlig att räkna med! Istället har man definierat den universella atommassenheten ”u”.
Den säger att en 12C-atom väger exakt 12 u.
Det betyder att 1 u = m12 12 C 1 u är alltså massan av kol-12 delat på 12.
Eftersom en 12C-atom består av sex protoner och sex neutroner, och de har ungefär samma massa, kan vi konstatera att
• 1 proton väger cirka 1 u.
• 1 neutron väger cirka 1 u.
Eftersom en elektron väger cirka 1/1800 av vad en proton gör, kan vi även konstatera att den väger ungefär 1/1800 u.
Om man tittar på kol i det periodiska systemet ser man dock att den atommassa som anges inte alls är 12 u, utan 12,011 u. Det beror på att det som sagt finns olika isotoper av kol, och de väger olika mycket. Atommassan som visas i det periodiska systemet anger hur mycket en genomsnittlig atom väger.
EXEMPEL 2
Nästan allt klor utgörs av två isotoper, 35Cl med atommassan 35,0 u, och 37Cl med atommassan 37,0 u. Av alla kloratomer är 75,8 % 35Cl-atomer och 24,2 % 37Cl-atomer.
Beräkna atommassan för klor.
Lösning
Vi beräknar atommassan genom att multiplicera andelen med atommassan för de båda isotoperna, och lägga samman dem:
0,758 · 35,0 u + 0,242 · 37,0 u = 35,484 u ≈ 35,5 u
Svar: Atommassan för klor är 35,5 u.
ÖVNINGSUPPGIFTER
Öva begreppen
12. Hur många protoner, neutroner och elektroner har följande partiklar? Atomnummer för grundämnena hittar du i periodiska systemet.
a. 133Cs
b. 127I c. 59Co3+
13. Ange masstal, kemiskt tecken och eventuell laddning för den isotop som består av
a. 6p+, 6e och 6n
b. 12p+, 10e och 13n
c. 35p+, 36e och 45n
14. Hur mycket väger en enda kol 12-atom? Atommassan hittar du i det periodiska systemet.
15. Hur mycket väger en genomsnittlig atom av följande grundämnen?
a. Kol b. Fluor c. Kalium d. Zirkonium
Öva förståelsen
16. Hur många elektroner har respektive partikel nedan?
a. S2−
b. Cl c. Ar d. K+ e. Ca2+
17. 1 u motsvarar ungefär 1,66 · 10−24 g. Hur mycket väger då en genomsnittlig syreatom angett i enheten g?
18. Om man tillför en neutron till en viss nuklid bildas ett ämne som är mycket instabilt. Det nya ämnet sönderfaller nästan omedelbart till en litiumatom och en heliumatom enligt nedanstående reaktionsformel:
____ + n → 3 7 Li + 2 4 He
Vilket av nedanstående ämnen ska stå på den tomma linjen till vänster?
a. 5 9 B b. 5 10 B c. 4 9 B d. 4 10 B
Sammanfattning
En atom är den minsta enhet som bygger upp ett visst grundämne. John Dalton lade fram den första ”moderna” atommodellen. Den förfinades när Marie Curie upptäckte att atomer kan sönderfalla, och J.J. Thomson upptäckte elektronen Ernest Rutherford upptäckte att atomer består av en positivt laddad kärna med elektroner i banor långt ifrån kärnan.
Rutherford upptäckte också den positivt laddade protonen i kärnan, och hans student James Chadwick upptäckte neutronen, som fungerar som ett slags ”klister” som låter protonerna i kärnan hållas samman, trots att samma laddningar stöter bort varandra. Tillsammans visade de att atomer består av protoner (p+), neutroner (n) och elektroner (e–). Niels Bohr grundade sin atommodell på ljus som skickades ut när elektronerna i väteatomen exciterats. På det viset kom han fram till att elektronerna endast kan befinna sig på olika energinivåer (”elektronskal”) runt kärnan. Hur elektronerna är fördelade på de olika energinivåerna (i de olika elektronskalen) kallas för atomens elektronkonfiguration.
För att kunna räkna på atomernas massa har man definierat den universella atommassenheten u (eller Da) som är exakt m12 12 C En atoms atomnummer anger
hur många protoner atomen har i kärnan, och masstalet anger hur många protoner + neutroner en specifik atom har. Atomer med samma atomnummer men olika masstal (alltså samma antal protoner, men olika antal neutroner) kallas för isotoper av samma grundämne.
KATALYS
KEMI 1
Katalys Kemi 1 är ett basläromedel i ämnet kemi på nivå 1, 100 poäng.
Katalys innehåller ett helt unikt material av filmatiserade genomgångar via QR-koder av hela innehållet som tillsammans med traditionellt skrivna faktatexter underlättar elevens lärande. Läromedlet bygger på en genomtänkt pedagogik som följer en logisk struktur och låter eleverna bygga ny kunskap på redan kända fakta.
Varje avsnitt i kapitlen följs av ett antal övningsuppgifter av olika karaktär och svårighetsgrad: ”Öva begreppen”, ”Öva förståelsen” och ”Analysera och diskutera”.
Boken har följande kapitelindelning:
A. Ämnenas ämne
B. Atomens byggnad
C Oxidation och reduktion
D. Periodiska systemet
E. Kemisk bindning
F. Räkna med kemin
G. Syror och baser
H. Termokemi
I. Elektrokemi
Magnus Ehinger är gymnasielektor i kemi och biologi med många års erfarenhet av undervisning. Magnus är mycket engagerad i att använda flippat klassrum som pedagogisk modell i sin undervisning. Magnus Ehinger är en av fyra pristagare i landet som har fått Beijerstiftelsens lärarpris till Ingvar Lindqvists minne för sina pedagogiska, egenproducerade genomgångar på Youtube.