Kjemiforståelse - SILO.PUB (2023)

Forståelse

KJEMI

7071tp.indd 1

19.06.09 09:24:43

Denne siden er tom med hensikt

Forståelse

KJEMI C N R Rao Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research og Indian Institute of Science Bangalore, India

World Scientific NEW JERSEY

7071tp.indd 2

•

LONDON

•

SINGAPORE

•

BEIJING

•

SHANGHAI

•

HONG KONG

•

TA I P E I

•

CHENNAI

19.06.09 09:24:43

Publisert av World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. 5 Toh Tuck Link, Singapore 596224 USA kontor: 27 Warren Street, Suite 401-402, Hackensack, NJ 07601 UK kontor: 57 Shelton Street, Covent Garden, London WC2H 9HE

British Library Cataloging-in-Publication Data En katalogpost for denne boken er tilgjengelig fra British Library.

Omslag: Det brennende lyset vist på forsidebildet har tradisjonelt symbolisert kjemi. Bukkekulen (C60) ved siden av er hentet fra karbonsot. Omslagsdesign: ETU, JNCASR De ytre grensene og kystlinjen til India som avbildet på kartene er verken korrekte eller autentiske.

FORSTÅ KJEMI (International Edition) Copyright © 2010 av World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd. Alle rettigheter forbeholdt. Denne boken, eller deler av den, kan ikke reproduseres i noen form eller på noen måte, elektronisk eller mekanisk, inkludert fotokopiering, opptak eller noe system for lagring og gjenfinning av informasjon som nå er kjent eller vil bli oppfunnet, uten skriftlig tillatelse fra utgiveren.

For fotokopiering av materiale i dette bindet, vennligst betal et kopieringsgebyr gjennom Copyright Clearance Center, Inc., 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, USA. I dette tilfellet kreves det ikke tillatelse til å kopiere fra utgiveren.

ISBN-13 978-981-283-603-8 (pbk) ISBN-10 981-283-603-9 (pbk)

Typesett av Stallion Press Email:[e-postbeskyttet]

Trykt i Singapore.

WeiLing - Understanding Chemistry.pmd

7.10.2009, 16:56

Til Kartik og Suggi

b735_FM.pmd

24.06.2009, 15:41

Denne siden er tom med hensikt

b735_FM.pmd

24.06.2009, 15:41

FORORD

Forstå kjemi er en elementær introduksjon beregnet på elever på videregående skoler og andre som er interessert i å sette pris på kjemi. Det er ikke en lærebok. Alt er ikke sagt. Noen ideer og fakta presenteres, og noen få spørsmål reises, for å interessere leseren for emnet og vekke nysgjerrighet. Flere emner av menneskelig interesse som miljø, energi, mat og vann blir diskutert, i tillegg til å gi livsskisser av kjemikere, historiske beretninger og prosedyrer for noen få eksperimenter. Jeg mener at boken gir en smak av emnet og viser hvordan det fungerer. Jeg håper at elever, lærere og entusiaster for realfag vil finne boken nyttig og lærerik. Jeg er mest takknemlig til medlemmene av Education Technology Unit ved Jawaharlal Nehru Center for Advanced Scientific Research, Jatinder Kaur, Bhaskar, Indu Rao og Sanjay Rao, for deres uvurderlige hjelp med å illustrere og formatere boken samt forberede den endelige versjon for produksjon. Jeg takker Indian National Science Academy og Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) for å støtte denne satsingen. C N R Rao Banglore

b735_FM.pmd

24.06.2009, 15:41

Denne siden er tom med hensikt

b735_FM.pmd

24.06.2009, 15:41

INNHOLD

FORORD

vii

1. KJEMI I EN KAPSEL

b735_FM.pmd

Mål

1.1

Hva er materie laget av?

1.2

Hva er vi laget av?

1.3

La oss observere kjemiske endringer

1. 3

1.4

La oss forberede noen få elementære gasser

1.5

Atomisk og molekylær natur av stoffer

1.6

Lover for kjemisk kombinasjon

1.7

Mennesker og metaller

1.8

Klassifisering av stoffer

1.9

Elektrolyse

1.10

Karbonforbindelser

1.11

Stoffers tilstand

1.12

Materialer

1.13

Lignende utseende, men forskjellige egenskaper

1.14

Rent og urent

1.15

Eksplosjoner og fyrverkeri

1.16

Maten vi spiser

1.17

Atmosfæren vår

24.06.2009, 15:41

Innhold 1.18

Vann

Konklusjoner

2. ELEMENTER OG PERIODISK TABEL Mål

2.1

Moderne konsept av elementer

2.2

Det moderne atomet

2.3

Ordne elementer

100

2.4

Det moderne periodiske system

103

2.5

Periodesystemet og egenskaper til grunnstoffer

119

2.6

Kommer tilbake til historien om elementene

125

Konklusjoner

127

3. DET KJEMISKE BÅNDINGEN

129

Mål

129

3.1

Hvordan dannes kjemiske bindinger?

132

3.2

Ionebinding

135

3.3

Kovalent binding

140

3.4

Bond avstander og bond energier

152

3.5

Resonans

154

3.6

Koordinere bånd

155

3.7

Metallisk binding

157

Konklusjoner

157

4. STRUKTURER OG FORMER AV MOLEKYLER 4.1

b735_FM.pmd

159

Mål

160

Hva er faktorene som bestemmer formene til enkle molekyler?

161

24.06.2009, 15:41

Innhold 4.2

Hybridisering

164

4.3

Former av enkle molekyler

171

4.4

Isomerer

175

4.5

Noen komplekse strukturer og former

178

4.6

Hydrogenbindingen

181

4.7

Livets molekyler

185

4.8

Menneskeskapte polymerer

193

Konklusjoner

196

5. KJEMISK ENERGI

b735_FM.pmd

197

Mål

198

5.1

Energiendringer i kjemiske reaksjoner

199

5.2

Naturen til energi

204

5.3

Reaksjonsvarme

206

5.4

Energilagring

208

5.5

Energi fra solen

212

5.6

Fremtidige alternativer

219

Konklusjoner

224

6. KJEMISKE REAKSJONER

225

Mål

226

6.1

Hvilke reaksjoner oppstår?

226

6.2

Kjemisk likevekt

228

6.3

Reaksjonshastigheter

231

6.4

Faktorer som påvirker reaksjonshastigheten

235

6.5

Hvordan reaksjoner oppstår

240

6.6

Noen reaksjoner

243

24.06.2009, 15:41

xii

Innhold 6.7

Redoksreaksjoner (reduksjon-oksidasjonsreaksjoner)

250

6.8

Katalyse

256

6.9

Kjemisk syntese

263

Supramolekylær kjemi

270

Konklusjoner

273

6.10

7. TO KJEMIKERE

b735_FM.pmd

275

Mål

275

Michael Faraday

276

Linus Pauling

283

NOEN KJEMISKE REGISTRER

291

INDEKS

295

24.06.2009, 15:41

KJEMI I EN KAPSEL

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Mål •

I denne leksjonen skal vi prøve å forstå visse vesentlige aspekter ved kjemi. Farger og lukter er forbundet med kjemikalier. Verden er full av kjemiske stoffer. Livet er forbundet med kjemikalier og vi trenger kjemikalier til mange nyttige formål. Og kroppen vår er en enorm kjemisk fabrikk.

•

Kjemi innebærer å observere endringer i stoffer. I kjemien tilbereder vi stoffer, klassifiserer dem og beskriver deres egenskaper. Vi skal undersøke noen aspekter ved metaller og materialer, alkalier og syrer samt karbonforbindelser. Vi ender opp med å se på maten vår, atmosfæren og vannet.

•

De tre siste temaene er opptatt av oss alle. Vi er avhengige av mat og vann for å leve. Vi må ta vare på atmosfæren.

Kjemi er en studie av stoffer, deres egenskaper, strukturer og transformasjoner. Fordi det er et så stort utvalg av stoffer i naturen, er omfanget av kjemi enorm. Kjemikere bruker sine ferdigheter og metoder til å designe og syntetisere molekyler med stor kompleksitet. Det sies på spøk at gitt nok tid, kan kjemikere til og med syntetisere en kamel! Enten det er en databrikke eller hostesaft, er det nødvendig med kjemi for å lage det. Fremskritt i det moderne samfunnet er faktisk basert på fremskritt innen kjemi. Derfor krever noen av de mest essensielle behovene for å leve bruk av kjemiske forbindelser.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Noen eksempler er gitt nedenfor: Gjødsel:

(NPK) Ammoniumnitrat + Ammoniumfosfat + Kaliumklorid

Insektmidler:

DDT, Endosulfan, Monocrotophos, Isoproturon

Ugressmidler:

Sulfonylurea, Butaklor

Medisiner:

Aspirin, antibiotika (penicillin), prevensjonsmidler for familieplanlegging

Sukkererstatning:

Aspartam (for diabetikere og vektovervåkere)

Såpe:

Natriumsalt av en fettsyre

Foruten å lage forbindelser (molekyler) av forskjellige sammensetninger, strukturer og egenskaper, trekker kjemikere ut aktive prinsipper fra naturlige produkter (planter), karakteriserer dem og lager dem også uavhengig i laboratoriet. For eksempel er det aktive prinsippet i neem (azadirachta indica) funnet å være azadirachtin. Beroligende middel, reserpin,

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

finnes i røttene til planten, rauwolfia serpentina. Forskolin utvunnet fra makandi-planten (celeus forskohlli) er bra for behandling av astma. Vincristin og vinblastin er legemidler mot blodkreft utvunnet fra planten vinca rosia. Medisinske egenskaper til gurkemeie skyldes curcumin og dets derivater.

Mat Landbruk

Tekstiler Konserveringsmidler

Garn

Gjødsel Fargestoffer

Transport

Kjemi i hverdagen

Helse

Narkotika

Petroleumsprodukter

Bolig (ly)

Transistorsåpe Blekepulver Natron

Silisium

Sement plast

Natriumstearat Kalsiumhypokloritt Natriumbikarbonat

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Kjemi omhandler levende farger, forskjellige lukter og smaker, og til og med lyder (eksplosjoner). Opprinnelsen til farger er kjemisk.

b735_Ch-01a.pmd

Kjemisk

Farge

Jod

Fiolett

Indigo

Kobbersulfat i vann

Blå

Nikkelsulfat, Klorofyll

Grønn

Bariumkromat Kobberklorid

Gul

Kaliumdikromat Karoten

oransje

Koboltnitrat

rød

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Opprinnelsen til lukt og smaker er også kjemisk. Lukten av hvitløk skyldes kjemikaliet allicin.

Jasmine

Banan

furunål

Isoamylacetat

Jasminin sitrongress

Maursyre Råtten egg

Fiskete

Anilin

Hydrogensulfid

Sitral Vaniljebønner Sitron

Sandeltre

Vanillin harskt smør

Limonene

Smørsyre

b735_Ch-01a.pmd

Santalol

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

1.1 Hva er materie laget av? Filosofer fra antikkens Hellas og India søkte svar på dette spørsmålet århundrer før Kristus.

Tidlig gresk idé: Empedokles (500 – 430 f.Kr.) antydet at ild, vann, luft og jorden utgjorde de primære elementene i materie. Aristoteles (384 – 322 f.Kr.) var enig i Empedokles’ konsept om de fire primærelementene som utgjør all materie. Han la til en avgjørende komponent til denne ideen - egenskapene til elementene. Våt

Vann

Luft

saken

Kald

Jord

Varmt

Brann

Tørr Egenskapene til et bestemt stoff ble antatt å skyldes sammensetningsforholdet mellom disse fire primærelementene.

Tidlig indisk konsept: Interessant nok ble nesten et identisk konsept utviklet uavhengig i India i løpet av denne perioden (600 – 500 f.Kr.). I følge Samkhya-filosofien,

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

materie var bygd opp av fem "bhutaer" eller elementer bestående av akasa (himmel), vayu (luft), tejas (ild), ap (vann) og kshiti (jord). "Bhutaene" delte egenskaper som farge, smak, lukt, berøring og samtidig hadde hver "bhuta" sine egne karakteristiske egenskaper. De karakteristiske egenskapene var: kshiti - lukt, ap - kulhet, tejas - varmhet og vayu - berøring. Forskjellen i egenskapene til den samme "bhuta-klassen" skyldtes forskjellen i grupperingen. Den eneste vesentlige delen av det tidlige konseptet av elementene som har overlevd er at elementer har særegne egenskaper. Hva er et element? Skjær et stykke antimon i to eller del dem i flak, eller mal det til pulver. Alle bitene i flakene eller pulveret inneholder identiske partikler av antimon. Et grunnstoff er et stoff som ikke kan reduseres ytterligere til et enklere stoff ved vanlige prosesser, og består kun av partikler av ett slag. Det tok mange århundrer med observasjoner og eksperimenter for å komme frem til denne enkle forståelsen av hva et element er. Hvordan og når ble grunnstoffer oppdaget?

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Historien om elementer er knyttet til historien om den menneskelige sivilisasjonen.

Fra steinalderen til moderne tid har mennesket brukt mange metaller og deres forbindelser for å passe sine behov.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Mennesket lærte å utvinne elementer fra malm, og formet dem til redskaper uten å vite hva et element var.

Sol

Måne

Mars

gull sølv jern Au

gull

sølv

jern

Venus

Saturn

Jupiter

Merkur

kobber bly tinn kvikksølv Cu

kobber

lede

tinn

kvikksølv

Noen få metaller som gull, sølv, jern, kobber, bly, tinn og kvikksølv ble mye brukt selv i det første århundre e.Kr. Disse metallene var også kjent i det gamle India. De har blitt nevnt i Charaka Simhita - en medisinsk avhandling fra det gamle India. Men de ble ikke identifisert som kjemiske

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

elementer. Hvert av disse metallene var assosiert med en spesiell himmelsk kropp. I tillegg til de ovennevnte syv grunnstoffene var svovel og karbon også kjent.

Middelalderen og alkymistene: Alkymister er forløperne til dagens kjemikere. De var kanskje de tidligste eksperimentelle. De prøvde forskjellige eksperimenter for å konvertere uedle metaller til gull ved å bruke "visenes stein" - et illusjonsstoff. Selv om de ikke lyktes i å konvertere "base"-elementer til gull, lyktes alkymistene i å skille og identifisere arsen, antimon og vismut. Vet du at den berømte fysikeren Newton var en alkymist!

Arsen, antimon og vismut er faktisk medlemmer av en kjemisk familie som deler lignende egenskaper. Alkymister la til ytterligere tre egenskaper til Aristoteles' liste over egenskaper: Brennbarhet (svovel), Volatilitet (kvikksølv) og Ubrennbarhet (kjemiske salter). Egenskaper til elementer forble imidlertid bare abstraksjoner.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Etter hvert som tiden gikk ble flere og flere elementer oppdaget. Takket være bidragene fra en rekke kjemikere ble måten å arrangere elementer i forhold til deres egenskaper på å bli forstått. Og det moderne periodiske systemet ble til. Vi vil diskutere det periodiske systemet i leksjon 2.

1.2 Hva er vi laget av? Verden rundt oss består av forbindelser laget av ulike grunnstoffer. Jordens kjerne består av tunge elementer som jern. Jordskorpen, derimot, består av lette elementer som oksygen, hydrogen, karbon og silisium. Mye av jordskorpen består av silisium og oksygen. (Merk at sand består av silisium og oksygen). Menneskekroppen består også av forskjellige elementer, men sammensetningen er veldig forskjellig fra jordskorpen. Menneskekroppen består hovedsakelig av karbon, oksygen, nitrogen og hydrogen. Den har mye vann. I tabellen nedenfor sammenligner vi sammensetningen av jordskorpen og menneskekroppen. Elementer i jordskorpen og menneskekroppen Element

vekt-% av

Hydrogen (H) Karbon (C) Oksygen (O) Nitrogen (N) Svovel (S)

Jordskorpen

Menneskekroppen

0,14 0,03 46,6 svært lite 0,03

9,5 18,5 65,0 3,3 0,3 fortsetter...

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

1. 3

fortsatte...

Natrium (Na) Kalsium (Ca) Magnesium (Mg) Silisium (Si) Aluminium (Al) Jern (Fe) Mangan (Mn)

2,8 3,6 2,1 27,7 6,5 5,0 0,1

0,2 1,5 0,1 veldig lite veldig lite veldig lite veldig lite

Fremfor alt er livsprosesser avhengige av ulike molekyler. Proteiner og DNA er to av livets viktige molekyler. Kroppen vår er en stor kjemisk fabrikk.

1.3 La oss observere kjemiske endringer Kjemi er en eksperimentell vitenskap. Den beste måten å studere kjemi på er å gjøre observasjoner av kjemiske endringer. Hvordan kan vi vite at det har skjedd en kjemisk reaksjon?

b735_Ch-01a.pmd

•

En gass kommer ut.

•

Et fast stoff blir utfelt.

•

Fargen endres.

•

Et stoff forsvinner.

•

Det er en ny lukt (lukt).

1. 3

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Legg merke til hva som skjer når du: 1. Kaster en liten bit natrium i en bøtte med vann. 2. Ta et stykke svovel i et reagensrør, og varm det opp i en flamme. 3. Ta et stykke kobber, og legg det i et reagensglass som inneholder salpetersyre. 4. Ta litt vann i et reagensrør, og tilsett noen dråper konsentrert svovelsyre. 5. Ta et stykke sinkmetall i et reagensrør, og tilsett fortynnet saltsyre. 6. Ta en stripe magnesium og stikk den gjennom proppen på en kolbe som inneholder vann. Varm opp kolben. 7. Tilsett en vandig løsning av vanlig salt (NaCl) eller saltsyre til en løsning av sølvnitrat. 8. Tilsett en liten mengde sinkpulver til en løsning av kobbersulfat. La oss undersøke hver av reaksjonene ovenfor. 1. Når et stykke natrium kastes i vann, hører vi en brusende lyd. Natrium reagerer kraftig med vann.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel 2Na

2H2O

2 NaOH

natrium +

vann

natrium + hydrogenhydroksid

+ H2(gass)

2. Når svovel varmes opp i et reagensrør, endres det gule faststoffet til en blek oransje væske. Ved ytterligere oppvarming blir fargen på væsken svart og blir mer viskøs, og avgir skarpe røyker av svoveldioksid. S

svovel + oksygen

SO2 (gass) svoveldioksid

3. Kobber reagerer med salpetersyre og danner nitrogenoksid. Vi ser brune gasser av nitrogendioksid. Cu + 4HNO3

Cu(NO3)2 + 2H2O + 2NO2 (gass)

kobber + salpetersyre

kobber + vann + nitrogen nitratdioksid

4. Reagensrøret blir varmt på grunn av varmen som genereres i reaksjonen mellom vann og svovelsyre. Syren spruter ofte ut på grunn av dampdannelse. (Reaksjonen kan være voldsom.) H2SO4

b735_Ch-01a.pmd

H2O

H2SO4.H2O

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi 5. Sink løses opp i saltsyre og frigjør hydrogengass. Vi ser bobler av hydrogen. Zn + 2 HCl sink + saltsyre

ZnCl2

H2 (gass)

sink + hydrogenklorid

6. Magnesium reagerer med damp og frigjør hydrogen og danner magnesiumoksid. Vi ser intenst lys som sendes ut i reaksjonen.

+ H2O

magnesium + damp

MgO

magnesium + hydrogenoksid

7. Tilsetning av natriumklorid (NaCl) eller saltsyre (HCl) til sølvnitrat (AgNO3)-løsningen gir et hvitt bunnfall av sølvklorid (AgCl).

b735_Ch-01a.pmd

AgNO3 + NaCl

NaNO3 + AgCl

AgNO3 + HCl

HNO3 + AgCl (bunnfall)

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

8. Når et pulver av sinkmetall tilsettes til en løsning av et kobbersalt, dannes det kobbermetall. Sink fortrenger kobber fra løsning. CuSO4 kobbersulfat

+ sinkmetall

ZnSO4

sinksulfat

+ kobbermetall

1.4 La oss tilberede noen få elementære gasser Fremstilling av hydrogen: Hydrogen fremstilles ved å fortrenge hydrogen fra fortynnet saltsyre med metaller som sink og magnesium. Reaksjonen er gitt av: Zn

+ 2HCl

ZnCl2+

tistelrør hydrogen

fortynnet saltsyre og sink Reaksjonen skjer ved romtemperatur. Det frigjorte hydrogenet samles opp over vann.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Skriv ligningen for reaksjonen av Mg (magnesium) med fortynnet HCl (saltsyre). Fremstilling av oksygen: Oksygen kan fremstilles ved dekomponering av hydrogenperoksid (H2O2) i nærvær av mangandioksid (MnO2). Reaksjonen skrives som følger: MnO2

2H2O2 hydrogenperoksid

2H2O vann

katalysator

+ O2 (gass) oksygen

Reaksjonen finner sted ved romtemperatur.

hydrogenperoksidløsning

oksygen

mangandioksid Hva er en katalysator? Vi vil lære om det senere. Vi vil bare slå fast her at en katalysator er et stoff som får en reaksjon til å gå jevnt og raskere.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Fremstilling av klor: Klor fremstilles ved oksidasjon av kloridioner med kaliumpermanganat (KMnO4) i sur løsning. En saltsyreløsning tilsettes dråpevis over fast KMnO4. Saltsyre gir det sure mediet som kreves for at reaksjonen skal finne sted. Denne reaksjonen skjer ved romtemperatur og skrives som: konsentrert saltsyreløsning

klor fast kaliumpermanganat 2KMnO4 + 16HCl

5Cl2 + 2MnCl2 + 2KCl + 8H2O

1.5 Atomisk og molekylær natur av stoffer Hva er et atom? Atomer er evige, uforgjengelige og kan ikke eksistere i fri tilstand. — Kanaada, en indisk helgen Det indiske konseptet om atomet har en stor likhet med det greske konseptet om atomet. Dessverre var det indiske konseptet ikke kjent utenfor India, og de indiske bidragene blir derfor ikke nevnt tilstrekkelig.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Et atom er det som ikke kan kuttes videre. — Democritus (560 – 470 f.Kr.) Den moderne ideen om atomet oppsto med Dalton (1803). •

Alle atomene i et grunnstoff er like.

•

Atomer av forskjellige grunnstoffer er forskjellige.

•

Massen til et atom i et grunnstoff er fast.

•

Atomer kan verken skapes eller ødelegges.

De tre første utsagnene er fortsatt gyldige. Den siste påstanden er imidlertid ikke lenger korrekt. (Vet du hvorfor?) Det er først siden 1911 at vi vet at atomer inneholder negativt ladede elektroner og positivt ladede kjerner. Vi skal undersøke strukturen til atomer i noen detalj i leksjon 2 og 3. Elektroner er ansvarlige for det meste av kjemien.

Molekyler: Molekyler er laget av atomer. Et molekyl av hydrogen, H2, inneholder to atomer av hydrogen. Et oksygenmolekyl, O2, inneholder to oksygenatomer. Et ozonmolekyl, O3, inneholder tre oksygenatomer. Et molekyl av HCl inneholder ett atom av hydrogen og ett atom av klor. Et molekyl av metan, CH4 , har ett karbonatom og fire hydrogenatomer.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

JOHN DALTON (1766 – 1844) John Dalton ble født i familien til en fattig vever i England. Han begynte sin karriere som lærer ved en landsbyskole da han var tolv år gammel. Syv år senere ble han skolesjef. I 1793 dro han til Manchester for å undervise i matematikk, fysikk og kjemi på en høyskole. Han trakk seg snart fra denne stillingen siden undervisningsoppgaver forstyrret hans vitenskapelige arbeid. Dalton giftet seg aldri og levde et enkelt liv. Dalton fremmet atomteorien i 1803. Han foreslo at forbindelser ble dannet av kombinasjonen av atomer av forskjellige grunnstoffer i små hele tallforhold. Han hadde ingen måte å bestemme forholdene som de forskjellige atomene kombinerer i. Når bare én forbindelse mellom to grunnstoffer A og B var kjent, antok han at den hadde den enklest mulige formelen AB. Han utledet relative atommasser på grunnlag av slike antakelser. Han publiserte en tabell over relative atommasser. Siden hans forutsetninger ikke alltid var korrekte, var det feil i tabellen hans. Disse feilene ble korrigert i 1858. Likevel, æren for først å sette atomteorien på kvantitativ basis går til Dalton. Fra de første årene til han døde, registrerte Dalton nøye hver dag temperaturen, trykket, mengden nedbør og så videre. Dalton led av protanopia, en manglende evne til å se rødt i det hele tatt. Denne synsfeilen ble kjent som "daltonisme".

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Er atomer ekte? Atomer ble opprinnelig foreslått som en idé. Selv om deres tilstedeværelse ble bevist på forskjellige måter, trodde folk ikke at de kunne se dem direkte. Slik var det inntil nylig. Vi er nå i stand til å se atomer direkte ved å bruke kraftige mikroskopiske teknikker. Typiske for disse teknikkene er elektronmikroskopi og scanning tunneling microscopy (STM). Nedenfor er et bilde av atomene i en krystall av silisium oppnådd ved STM.

Silisium Hva er en forbindelse? En forbindelse er laget av to eller flere elementer. En forbindelse kan omdannes til enklere stoffer. Husk at et grunnstoff ikke kan omdannes til enklere stoffer. Forbindelser består vanligvis av molekylære enheter.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

La oss se på tilfellet med vann (H2O). Den har to hydrogenatomer og ett oksygenatom. Når vi tar vann i et kar, inneholder det et stort antall vannmolekyler. Hvert vannmolekyl har formelen H2O.

Atommasse: Atommasse kalles også atomvekt. Atommassen (vekten) til karbonisotopen 12 (12C) er tatt som referanse for å definere atommasser av grunnstoffer. Atommasse = (Atomvekt)

Masse (vekt) av ett atom i grunnstoffet

/12 av massen (vekten) til ett atom med 12C

Merk! De samme grunnstoffene kan ha forskjellige atommasser. Disse kalles isotoper. Naturlig forekommende karbon har forskjellige isotoper og dens gjennomsnittlige atommasse er 12,011. Arten med atommasse 12 er en av isotopene. Enheten for atommasse til et grunnstoff er g mol-1 eller amu atom-1 der amu er atommasseenheten (1/12 av massen til et enkelt 12C-atom). De andre isotopene av karbon har masse 13 og 14.

Føflekker: Føflekken er mengden av et stoff som inneholder samme antall kjemiske enheter som det er atomer i nøyaktig 12 gram 12C. Kjemiske enheter kan være atomer eller molekyler. Det samme tallet er Avogadro-tallet, som har en verdi 6,02214 X 1023 enheter mol-1. En atomvekt (masse) av kobber inneholder derfor ~6,022 × 1023 atomer. Molekylvekten (massen) til en forbindelse oppnås ved å legge til atomvektene (massene) til alle de inngående atomene. For eksempel, molekylvekten til H2 = 2 × 1,008 = 2,016. Molekylvekt av H2O = 2 × 1,008 + 15,999 = 18.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Atommasser av noen grunnstoffer Grunnstoff Hydrogen Helium Litium Bor Karbon Nitrogen Oksygen Fluor Natriumklor

Symbol H He Li B C N O F Av Cl

Atommasse 1,00794 4,002602 6,941 10,811 12,011 14,00674 15,9994 18,99840 22,989768 35,4527

Hvor mange molekyler er det i en skje vann? Eller for den saks skyld i Det indiske hav? Skal vi svare på dette spørsmålet, må vi kunne kvantifisere antall molekyler på en eller annen måte. Når det gjelder mol, betyr H2 + ½ O2 H2O at én mol H2 og en halv mol O2 kombineres for å gi én mol H2O. 2H2 + O2 2H2O, betyr at 2 mol H2 og 1 mol O2 gir 2 mol H2O.

Gram molekylvekt av et stoff: Det er mengden av en forbindelse som har vekten i gram numerisk lik dens molekylvekt. For eksempel er grammolekylvekten til vann (H2O) 18. Det er et Avogadro-antall molekyler i ett grams molekylvekt av vann. Avogadro-tallet er et så stort tall at antallet molekyler i en skje med vann vil være sammenlignbart med antall vannmolekyler i Det indiske hav! Tenk på dette.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Konsentrasjon: Konsentrasjonen av et stoff i løsning er vanligvis gitt av antall mol av stoffet i en liter (1000 ml) løsning. Enheten kalles molaritet (M). 1 mol (gram mol. vekt) NaCl er = 22,99 + 35,45 = 58,44 g En molar (1M) løsning av NaCl i vann inneholder 58,44 g NaCl i en liter av løsningen. En 0,1 M NaCl-løsning inneholder 5,844 g NaCl i en liter av løsningen.

1.6 Lover for kjemisk kombinasjon Loven om bevaring av masse: Denne loven sier at materie verken kan skapes eller ødelegges. I en kjemisk reaksjon er den totale massen av reaktantene lik summen av massene til produktene. I en kjemisk reaksjon, A + B

C + D,

Masse av A + Masse av B = Masse av C + Masse av D For eksempel, C

(12.011) + (2 x 15.999) H2

½ O2

½ (2 × 15.999)

(2 × 1,00794) +

CO2 [12,011 + (2 x 15,999)] H2O [(2 x 1,00794) + 15,999]

Loven om bestemte proporsjoner: Denne loven sier at andelen der to eller flere elementer kombineres for å danne en bestemt forbindelse alltid er identisk. Sink + Svovel Zn + S

Sinksulfid ZnS

Denne andelen vil forbli den samme uansett hvordan sinksulfid dannes.

b735_Ch-01a.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Lov om flere proporsjoner: Denne loven sier at når to elementer kombineres for å danne mer enn én forbindelse, har de forskjellige massene til ett av elementene som kombineres separat med en fast masse av det andre elementet, et enkelt forhold. Eksempel: Karbon og oksygen kombineres for å danne karbonmonoksid (CO) og karbondioksid (CO 2). Her er massen av karbon fiksert mens massen av oksygen varierer i de to forbindelsene. Forholdet mellom oksygen som kombineres med en fast masse karbon er 1:2. Ideen om valens: Valens er definert som den kombinerende kapasiteten til et atom i å danne forbindelser. For å forstå valens skal vi undersøke tre sett med forbindelser. 1

HCl

NaCl

FeCl2

HBr

NaBr

FeO

H2O

Na2O

FeCl3

H2S

Na2S

Fe2O3

La oss se på forbindelsene i kolonne 1 som inneholder hydrogen. HCl Ett atom av hydrogen kombineres med ett atom av klor i HCl. HBr Ett atom av hydrogen kombineres med ett atom av brom i HBr. H2O To hydrogenatomer kombineres med ett oksygenatom i vann, H2O, eller, H2S med ett svovelatom i H2S.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Hvis vi tar valensen til hydrogen som én, vil klor (Cl) og brom (Br) ha valens på én, og oksygen vil ha valens på to. Vi tar valensen til hydrogen (H) eller oksygen (O) som referanse. Hva er valensen til svovel? To. Vi ser nå på kolonne 2 med forbindelser av natrium (Na). Ett atom av natrium, kombineres med ett atom av klor i natriumklorid (NaCl) eller med ett atom av brom i NaBr. Siden valensen til Cl eller Br er én, er valensen til Na (natrium) én. Na2O Det er derfor to natriumatomer kombineres med ett oksygenatom i natriumoksid (Na2O). Na2S Husk at svovel har en valens på to. Siden Na har valens på én, har alle andre grunnstoffer av samme type (det vil si alkalielementene, K, Rb, Cs) også en valens på én. La oss nå se på jernforbindelsene i kolonne 3.

b735_Ch-01b.pmd

FeCl2

Ett jernatom (Fe) kombineres med to kloratomer i FeCl2. Derfor har Fe en valens på to (siden valens av klor er en).

FeO

Ett atom av Fe kombineres med ett atom av oksygen i FeO. Derfor er valensen til Fe her to akkurat som i FeCl2 (Igjen, husk at oksygen har en valens på to).

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

FeCl3

Ett jernatom kombineres med tre kloratomer i FeCl3. Derfor har Fe her en valens på tre.

Fe2O3

To atomer av Fe kombineres med tre atomer av oksygen i Fe2O3. Også her har Fe en valens på tre.

Beregn valensen til mangan (Mn) i forbindelsene som er oppført nedenfor. Sammensatt

Svar

MnO

Mn2O3

MnO2

KMnO4

Du ser at mangan kan ha flere valenser.

1.7 Mennesket og metaller Menneskets søken etter metaller går tilbake til forhistorisk tid. Metaller har vært brukt i flere tusen år i India. Visse perioder i historien er assosiert med spesifikke metaller som ble brukt mye i denne perioden.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Kobberalder: I denne perioden ble kobbermetall utvunnet ved smelting. Dette var en hytteindustri! Bronsealder: I denne perioden ble legeringer av metaller brukt.

Jernalder: På dette tidspunktet hadde mennesket mestret ferdighetene med å utvinne metaller fra jernmalm.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Metaller finnes vanligvis som malmer av mineraler i jordskorpen.

Bauksitt Al2O3.2H2O Hematitt Fe2O3 Magnetitt Fe3O4

Jern

Chalcopyrite CuFeS2 Aluminium Cuprite Cu2O Kobber

Gull

Titanium

Innfødt mangan

Ilmenitt FeTiO3

Pyrolusitt MnO2

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

India har store forekomster av ilmenitthematittmonasittsand

Manganmalm Bauksitt

Ilmenitt finnes i overflod i India. Vi kan lage titan (Ti) metall fra dette mineralet. Titan er et viktig metall i moderne industri. Den er lett, men sterk. Monazitsand i Kerala inneholder store mengder sjeldne jordartselementer. India har også store forekomster av mangan (Mn) malm.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Egenskaper til metaller: Metaller: • • • •

lede strøm og varme. er formbare. er duktile. ha glans.

Hvordan får vi metaller ut av malm og mineraler? Ulike prosesser brukes for å oppnå metaller fra malm som vist i diagrammet nedenfor. Gruvedrift i dype sjakter Malmforekomster

Gruvedrift Dagbrudd

Malmer går gjennom følgende prosesser.

Fjerning av gang.

Økning i konsentrasjonen av nyttig mineralmalm.

Hvis det er en sammensatt malm, separasjon av mineraler av forskjellige metaller.

Mineralkonsentrat går gjennom følgende stadier. Fjerning av alle andre elementer unntatt METALLET KREVES.

Urent metall oppnådd går gjennom eller Fjerning av urenheter.

Tilføyelse av et annet spesifikt element.

Rent metall Metalllegering

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Jern Jern er menneskets arbeidshest. Det oppnås ved reduksjon av jernoksid. Reduksjonen utføres i en masovn.

Blanding av jernmalm, koks og kalkstein.

2000C 5000C

varme gasser 0

800 C 13000 C

varm luft

19000C

smeltet slagg smeltet jern

Reduksjonen skjer trinnvis. 3Fe2O3 (s) + CO (g) Fe3O4 (s) + CO (g) FeO (s)

+ CO(g)

2 Fe3O4 (s) + CO2 (g) 3 FeO (s)

+ CO2 (g)

Fe (l) smeltet

+ CO2 (g)

s — fast, g — gass, l — væske

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Kobber Kobbermalm

Oppvarmet til høye temperaturer Matt: smeltet materiale som inneholder 30–60 % Cu2S og noe jernsulfid.

Slagg som inneholder jernsilikat (FeSiO3) kastes.

Matte smeltes (oppvarmes) med luft ved høye temperaturer. Cu2S + O2 2Cu (l) + SO2 (g)

Blister kobber Denne inneholder noen urenheter.

Smeltet kobber avkjøles og SO2 slipper ut som bobler.

Blisterkobber renses ved elektrolyse

Hva er elektrolyse? Vi lærer senere i denne leksjonen.

Gull Gullmalm knuses og konsentreres ved flyting.

konsentrert malm + natriumcyanid og oksidert med luft.

4Au (s) + 8CN-(aq) + O2(g) + 2H2O

4AuCN2-(aq) + 4OH-(aq)

AuCN2-(aq) filtreres for å fjerne usmeltet stein.

Sinkstøv tilsettes løsningen for å fortrenge gull.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Hva er korrosjon? Du vil ha lagt merke til at ting laget av jern rust. Den rødbrune rusten er ikke annet enn et jernoksid. Korrosjon er oksidasjon av metaller av stoffer i omgivelsene, eller av atmosfærens bestanddeler. Både vann og oksygen spiller en rolle i korrosjon. Sammensetningen av rust kan representeres som FeOOH. Visse kjemikalier brukes for å hindre korrosjon. Noen av legeringene av jern (f.eks. rustfritt stål) korroderer ikke lett. Kobberkar blir svarte eller grønnlige på grunn av korrosjon. Hvorfor bruker folk gullsmykker? Gull blir ikke korrodert. Det er et edelt metall. Andre edelmetaller er platina og sølv, men sølv blir litt korrodert.

Den rustfrie jernsøylen i Delhi Den berømte jernsøylen i Delhi, reist i Gupta-perioden (over 1500 år siden), er et vidunder. Etter alle disse årene står denne søylen oppreist uten forringelse. Denne rustfrie jernsøylen er en hyllest til våre forfedres store oppfinnsomhet. Den omtrentlige kjemiske sammensetningen av denne søylen er som følger: Karbon Silisium Fosfor Svovel

0,25 % (i vekt) 0,04 % 0,17 % 0,002 %

Resten er helt jern. Egenvekten er 7,6.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

1.8 Klassifisering av stoffer Vi kan klassifisere stoffer ut fra deres egenskaper. Metalliske materialer utgjør en viktig klasse av stoffer. De har unike egenskaper som vi har lest tidligere. Det er rundt 100 grunnstoffer i naturen og de fleste av dem er metaller. Annet enn metalliske stoffer, er det to andre typer stoffer som lett kan gjenkjennes. Dette er saltlignende stoffer (eller ioniske stoffer) og kovalente stoffer. Ioniske stoffer: Ioniske stoffer består av positivt ladede metallioner og negativt ladede ikke-metallioner. De positive ionene kalles kationer og de negative ionene kalles anioner. Ioniske stoffer: • er løselige i vann. • har høye smeltepunkter. • lede elektrisitet enten i løsning eller i smeltet tilstand (dvs. de danner elektrolytter). La oss se på noen eksempler på salter (ioniske stoffer). Natriumklorid Kaliumklorid Sinkklorid Magnesiumbromid Kobbersulfat Jernoksid Jernoksid Manganoksid Kobbersulfid

b735_Ch-01b.pmd

Na+ClK+ClZn2+(Cl-)2 Mg2+(Br-)2 Cu2+(SO4)2Fe2+O2(Fe3+)2 (O2-)3 Mn4+ (O2-)2 Cu2+S2-

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Enkle ioner Positive ioner (kationer) Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Fe2+ Fe3+ Zn2+

Natrium Kalium Kalsium Magnesium Jernholdig jernsink

Negative ioner (anioner) Fluorid Klorid Bromid Jodid Oksyd Sulfid

FClBrIO2S2-

Noen polyatomiske ioner Hydroxide Cyanid Nitrat Carbonate Sulfate

OHCNNO3(CO3)2- eller CO32(SO4)2- eller SO42-

Et ionisk stoff, når det er oppløst i vann eller et annet løsningsmiddel, gir en elektrolyttløsning. I løsningstilstand brytes ikke alltid et ionisk stoff opp til frie ioner. Denne prosessen, kalt dissosiasjon, er fullstendig når det gjelder stoffer som NaCl og KCl. De kalles sterke elektrolytter. Noen stoffer dissosieres delvis og de kalles svake elektrolytter. En sterk syre som HCl dissosierer mer (gir H+ og Cl- i vandig løsning) enn en svak syre som eddik (eddiksyre). Det vil være en mindre andel H+ i en eddiksyreløsning. Syrer og alkalier: Det er noen stoffer som gjør blå lakmus til rød. De er syrene.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Eksempler: Saltsyre Salpetersyre Svovelsyre

HCl HNO3H2SO4

Alkalier har en hydroksyl- eller en OH-gruppe. De blir rød lakmus til blå. Eksempler: Natriumhydroksid Kaliumhydroksid Kalsiumhydroksid

NaOH KOH Ca(OH)2

Når en alkali tilsettes en syre, får vi salt og vann. HCl-syre

+ NaOH alkali

HBr + KOH

NaCl + H2O saltvann KBr + H2O

Enkelte stoffer endrer farge når en løsning er alkalisk. For eksempel blir fenolftalein rosa i alkalisk løsning. Slike stoffer kalles indikatorer. Når vi tilsetter en løsning av et alkali (NaOH) til en løsning av en syre (HCl) som inneholder fenolftalein, blir løsningen rosa så snart syren er nøytralisert. Syrer gjennomgår dissosiasjon i vann og gir H+ eller mer korrekt H3O+ ioner. Dette kan skrives som: HA

+ H2O

H3O+ + A-

HCl

H3O+ + Cl-

H2O

H2CO3 + H2O

b735_Ch-01b.pmd

H3O+ + HCO3-

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Syrer som dissosierer sterkt er sterke syrer (f.eks. HCl, HNO3, H2SO4). Vann i seg selv dissosierer og gir H3O+ og OHioner. Et mål på surheten til en løsning er pH. pH = – log [H+] eller – log [H3O+] Her er [H+] eller [H3O+] konsentrasjonen av de ioniserte artene. I vanlig vann er [H3O+] = 10-7 M. Derfor pH = 7. Nøytralt vann har en pH på 7. Hvis pH i en løsning er mindre enn 7, er den sur. Hvis den er større enn 7, er den alkalisk. Kovalente stoffer: • leder ikke elektrisitet. • har lavt smelte- og kokepunkt. De enkleste eksemplene på kovalente forbindelser er karbonforbindelser. Vi skal diskutere dem i neste avsnitt. Kovalente faste stoffer er generelt myke. Typiske eksempler på kovalente stoffer er parafinvoks og kamfer. Kovalente nettverk: Velkjente eksempler på kovalente nettverk er diamant og grafitt. Både diamant og grafitt er dannet av nettverk av karbonatomer. Diamant er det hardeste stoffet som er kjent. Det er også den beste varmelederen. Diamant kan lages i laboratoriet med utgangspunkt i grafitt, ved høye temperaturer og trykk, ved bruk av katalysatorer. Laboratoriediamanter brukes i maskinverktøy, men kan ikke brukes til smykker. Diamantfilmer lages ved dekomponering av hydrokarboner (f.eks. CH4).

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

I diamant består nettverket av et karbonatom bundet til fire andre karbonatomer. De fire bindingene er koblet til hjørnene av et tetraeder.

Grafitt leder elektrisitet og består av et todimensjonalt nettverk hvor hvert karbonatom er bundet til tre andre karbonatomer.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Silisium og germanium har samme struktur som diamant. Bornitrid (BN) har en struktur som ligner grafitt. Den kan også lages i diamantstrukturen.

Et annet eksempel på et kovalent nettverk er silika, SiO2 (silisiumdioksid). Den inneholder Si O Si-bindinger. Sand består av ren silika. Glass er laget av silikater (f.eks. natriumsilikat). Den inneholder også nettverk dannet av Si O Si-koblinger.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

1.9 Elektrolyse Elektrolyse er en kjemisk reaksjon som oppstår ved å føre elektrisitet gjennom et stoff. Under elektrolyse omdannes elektrisk energi til kjemisk energi. Elektrodene kan være av et inert materiale som grafitt. Elektroner strømmer fra anoden til katoden. Positivt ladede ioner (kationer) beveger seg til katoden og negativt ladede ioner (anioner) beveger seg til anoden. Hvis vi har smeltet NaCl i karet skjer følgende endringer: Batteri

+ e-

Anode

Katode

Elektrolytt: smeltet natriumklorid (NaCl)

Ved katoden skjer reduksjon : Na+ + e Ved anoden skjer oksidasjon : Cl-

b735_Ch-01b.pmd

Allerede

meta

til

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

For enkelhets skyld har vi ikke vist de fire hydrogenene i strukturene ovenfor. Dinitrobenzenene er:

La oss erstatte to av hydrogenene i benzen med to forskjellige grupper Cl og OH for å få klorfenolene.

Følgende er noen få andre eksempler på disubstituerte benzener.

meta-nitrofenol

b735_Ch-01b.pmd

para-klorbenzosyre

orto-bromanilin

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Vi kan ha tre, fire eller alle de seks hydrogenene i benzen substituert med forskjellige grupper.

Trinitrotoluen (TNT)

Heksaklorbenzen

Vi finner ofte mer enn ett navn på en forbindelse eller et nytt navn som ikke er relatert til hydrokarbonet det er avledet fra. La oss se på navnene på noen få forbindelser. CH3Cl CH2Cl2 CH3OH CHCl3 C6H5OH CH3NH2 C6H5NH2 C6H5COOH CH3COOH

klormetan eller metylklorid dikloretan eller metylendiklorid metylalkohol eller metanol kloroform fenol (ikke hydroksybenzen) metylamin (ikke aminometan) anilin (ikke aminobenzen) benzosyreeddiksyre

På grunn av de utallige forbindelsene laget av kjemikere, er det nødvendig å ha standardnavn som skal brukes av mennesker over hele verden. Standardnavn for forbindelser er gitt av International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). IUPAC-regler finnes i de fleste lærebøkene i kjemi.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Fremstilling av enkle organiske stoffer Metan: Ha en blanding (av like mengder) av vannfritt natriumacetat og sodakalk (blanding av natriumhydroksid og kalsiumhydroksid) i en kolbe. Varm opp kolben. Samle opp gassen ved å fortrenge vann. Ligningen for reaksjonen er vist som: CH3COONa + NaOH natriumacetat

natriumhydroksid

Na2CO3 + CH4 (gass) natriumkarbonat

metan

brus lime metan

vannfritt natriumacetat

Etylen: Etylalkohol blandes forsiktig med konsentrert svovelsyre og blandingen varmes opp. Gassen føres deretter gjennom en konsentrert løsning av kaliumhydroksid for å fjerne svoveldioksidet og karbondioksidet som er tilstede i den.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

Ligningen for reaksjonen ovenfor er som følger: C2H5OH Etylalkohol

+ H2SO4

H2SO4.H2O + C2H4

svovelsyre

etylen

Alkohol + H2SO4 Etylen

KOH-løsning

Benzen: Benzen er hentet fra steinkulltjære. Kulltjære inneholder store mengder benzen og andre organiske stoffer. Benzen samles opp ved destillasjon av kulltjære. Etylalkohol: Etylalkohol (etanol) fremstilles ved påvirkning av et enzym på sukker (sukrose). Denne prosessen omtales som gjæring. Reaksjonen er gitt av: enzym

C12H22O11 + H2O sukrose

b735_Ch-01b.pmd

(gjær)

4C2H5OH (1) + etanol

4CO2 (g)

karbondioksid

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

Forberede en ester La oss utføre en organisk kjemisk reaksjon. Til dette velger vi en reaksjon som gir en lukt (ikke dårlig). Vi vil derfor forberede en ester. Estere oppnås ved omsetning av alkoholer med karboksylsyrer. Vi vil tilberede etylacetat ved reaksjonen:

Eddiksyre

etyl alkohol

etylacetat

Ta noen dråper (2 ml) iseddik i et reagensrør. Legg til et like stort volum etylalkohol. Tilsett deretter 1 ml konsentrert svovelsyre og plasser reagensrøret i kokende vann. Etter 5 minutter, hell innholdet i reagensglasset i ca. 10 ml vann. Esteren (etylacetat) flyter på vann og gir sin karakteristiske lukt. (Den ureagerte eddiksyren og alkoholen løses opp i vannet). Utvinning av essensielle oljer fra plantematerialer: Vi nevnte tidligere at mange naturlige produkter oppnås ved utvinning fra blader, blomster, bark og slike materialer av planteopprinnelse. For å illustrere dette skal vi tilberede sitronolje eller appelsinolje ved dampdestillasjon. Samle litt sitron- eller appelsinskall (fra 5 eller 6 frukter) og mal det til en fruktkjøtt ved hjelp av en matmikser (eller morter og stamper). Tilsett skallmassen til vannet i kolben (se figur). Før damp gjennom blandingen av skallmasse og vann. Dampen bærer den eteriske oljen som kondenserer og samler seg i den koniske kolben.

b735_Ch-01b.pmd

24.06.2009, 15:18

Kjemi i en kapsel

sikkerhetsrørstopper kondensator dampgenerator

olje vann

skilletrakt

skrell og vann

olje + vann

Den destillerte væsken inneholder både vann og oljen. Du kan skille olje fra vann ved å bruke en skilletrakt (se figur). Legg merke til den fine lukten av oljen. Limonen er hovedbestanddelen i oljen fra sitroner og appelsiner. Citral er forbindelsen som gir sitronolje sin særegne smak.

Limonene

b735_Ch-01b.pmd

å synke

Citral

24.06.2009, 15:18

Forstå kjemi

1.11 Stoffers tilstander Stoffer kan eksistere i tre tilstander - gass, flytende og fast stoff. Vann finnes i alle de tre tilstandene: gass (damp eller vanndamp), flytende (vanlig vann) og fast (is). Egenskapene til gasser, væsker og faste stoffer er forskjellige. For eksempel tar en væske formen av beholderen og gasser opptar hele volumet av beholderen. Atomer og molekyler i gassform beveger seg fritt eller tilfeldig. Noen av dem beveger seg veldig raskt (høy kinetisk energi) og noen beveger seg sakte (liten kinetisk energi), men de fleste molekyler beveger seg med en gjennomsnittlig hastighet (gjennomsnittlig kinetisk energi). Med andre ord har atomer og molekyler i gasser en fordeling av hastigheter eller kinetiske energier. Atomene og molekylene i gassform fortsetter å kollidere med hverandre. Hvis vi tar is i et glass vann, forblir isen flytende i lang tid, og oppnår til slutt en konstant temperatur (0°C eller 273 K). Vi sier da at is og vann er i likevekt og representerer dette som is

vann.

Dette er et eksempel på fast-væske likevekt. Vi er kjent med væske-damp-likevekten. Over flytende vann er det alltid en viss mengde damp. Med økning i temperatur øker damptrykket. Væsker med lukt gjenkjennes av lukten på grunn av tilstedeværelsen av noen molekyler i dampfasen. Vi lukter kamfer fordi det er en fast-damp likevekt. Når gasser avkjøles, blir de til væsker som opptar et mindre volum. I flytende tilstand samles et mindre antall atomer (eller molekyler) for å danne "grupper" eller "klynger". Likevel er den flytende tilstanden ikke stiv fordi molekylene fortsatt kan bevege seg rundt.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Når væsker avkjøles ytterligere, blir de faste stoffer. I fast tilstand er atomene (eller molekylene) fiksert på plass og blir stive.

Gass

Væske

Krystallinsk faststoff

Det er stoffer som fremstår som faste stoffer, men atomene eller molekylene i dem er uorden. Slike faste stoffer kalles amorfe faste stoffer. Glass er et amorft fast stoff. Man kan lage et hvilket som helst stoff til et glass ved å raskt avkjøle væsken. For eksempel har vi metaller dannet i glassaktig tilstand (metglasses). Faste stoffer der atomene eller molekylene er ordnet regelmessig i alle de tre retningene kalles krystaller. Vi viser nedenfor arrangementet av atomer eller molekyler i krystaller av kobber, karbondioksid og natriumklorid.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

Legg merke til at i kobberkrystaller forekommer kobberatomene på en vanlig måte. I fast karbondioksid forekommer CO2-molekyler på en vanlig måte. I natriumklorid, som er et salt (et ionisk stoff), er Na+ og Cl-ioner tilstede på en vanlig måte.

Kloridion

b735_Ch-01c.pmd

Natriumion

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

1.12 Materialer Stoffer som har uvanlige egenskaper er også kjemikalier. For eksempel leder noen materialer elektrisitet. Metaller som kobber er ledere. Vi bruker ledninger laget av kobber, eller noen ganger av aluminium, for å overføre elektrisitet. Kjemikere har laget mange andre stoffer som leder strøm akkurat som kobber. Metalloksider som ReO3 (rheniumtrioksid) og RuO2 (ruteniumdioksid) leder som metaller. Selv metaller gir en viss motstand for passasje av elektrisitet. Noen materialer leder strøm uten motstand. Slike materialer kalles superledere. Kjemikere har laget mange nye superledere. De viktigste er YBa2Cu3O7 og HgCa2Ba2Cu3O8. Disse to blir superledende ved henholdsvis 98 K og 135 K. Noen stoffer er magnetiske. Jern er et velkjent magnetisk metall. Kobolt og nikkel er også magnetiske metaller. Lodestone, brukt av reisende i århundrer for å finne retningen, er et kjemikalie (Fe3O4, magnetitt). Det er andre stoffer som er gode magneter (f.eks. legeringer av samarium og kobolt).

Delt stoff (nanomaterialer) Hvis du tar et stykke fast stoff (for eksempel et metall) som inneholder et Avogadro-antall atomer og fortsetter å dele det i mindre biter, vil du til slutt ende opp med et atom av stoffet. Før det vil du nå et stadium med veldig små partikler som inneholder 100 til 10 000 atomer. Slike partikler med diametre på 1–50 nm (10–500 Å) omtales som nanopartikler. Nanomaterialer viser egenskaper som er helt forskjellige fra bulkmaterialer og utgjør fremtidens materialer.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

La oss se på noen andre materialer som er kjent for oss. Gjennomsiktig tak: De gjennomsiktige takene som vi ser i enkelte bygninger eller boder er laget av fiberarmert plast (plast som inneholder glassfiber) eller av polykarbonat (plast). Radio og solcelle: Transistoren som brukes i radio og fjernsyn inneholder silisium (Si), vanligvis med noen urenheter (f.eks. fosfor, bor) forsiktig inn i den. Silisium brukes også i solceller for å omdanne sollys til elektrisitet. Båndopptaker (kassett): Båndet har belegg av et magnetisk oksid (gammajernoksid, Fe2O3 eller kromdioksid, CrO2). MR: Sykehus utfører skanninger av hjernen eller hele kroppen ved hjelp av magnetisk resonansavbildning. Magneten er en superledende, og inneholder ledninger laget av niob og tinn (Nb3Sn). Plast er langkjedede molekyler (polymerer) som inneholder repeterende enheter. De har store molekylvekter som kan gå opp til flere hundre tusen. Noen polymerer inneholder lineære kjeder dannet av en repeterende enhet (monomer). Noen andre inneholder forgrenede kjeder. I noen polymerer er kjeder forbundet med bindinger. Tverrbinding øker stivheten og styrken til polymerer.

lineær

forgrenet

tverrbinding

Termoplastiske polymerer er de som kan støpes når de varmes opp. De har ikke tverrbinding. Termosett er polymerer hvis form ikke kan endres, selv ved oppvarming. De er sterkt tverrbundet. Mange av harpiksene (epoksy, fenol-formaldehyd) er herdeplast.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Såpe Det har vært kjent i lang tid at såpe kan lages ved å koke vegetabilske oljer eller animalsk fett med kaustisk soda (NaOH) løsning. Chevreul i 1816 fastslo at såpe dannes ved reaksjon av alkali med den sure delen av oljen eller fettet. Såpe er derfor et natriumsalt av en organisk syre. Animalsk fett er estere dannet mellom glyserol (glyserin) og stearinsyre (langkjedet karboksylsyre, C17H35COOH). Når NaOH tilsettes til esteren, danner det natriumsaltet av stearinsyre og glyserin. Dette kalles forsåpning. Glyceryl + 3NaOH tristearat (fett)

3C17H35COO-Na+ + glyserin

Det vesentlige ved en såpe er den langkjedede hydrokarbondelen med en ladet gruppe på slutten. Det er dette som gir såpe sine nyttige egenskaper. Hydrokarbondelen kan lett blandes med oljeholdige stoffer og den ioniske delen kan blandes med vann. Denne rollen til såpe gjør den til et emulgeringsmiddel. Såpe renser klær eller andre gjenstander (inkludert dyrekropper) av to grunner. Det emulgerer oljeholdige stoffer og senker også overflatespenningen til vann. Såpe er et overflateaktivt middel. Mange syntetiske vaskemidler inneholder også natriumsalter av langkjedede syrer. Et eksempel er C15H31SO4-Na+. Emulgerende virkning av såpe Na+

Na+ Na+ Na+

Na+ Na

Na+

Olje

Na+

Na Na+ Na+

Vann

b735_Ch-01c.pmd

Na+ Na

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

I tabellen nedenfor lister vi opp en rekke polymerer og deres bruksområder. I tillegg til disse er det polymerer som fungerer som lim. Hurtiglim har metylcyanoakrylat som polymeriserer ved kontakt med fuktighet (H2O).

Polymer

Bruker

poly(etylen)

plastposer; beholdere; vannrør; film og ark.

poly(propylen)

støpt plast stoler; tepper.

poly(vinylklorid) eller PVC

vannrør; elektriske rør; fleksible laboratorieslanger; møbeltrekk; leker.

poly(styren)

som et skum i isolerte matbeholdere; emballasje; glassfiberarmert plast; plast tallerkener, kopper og brett.

poly(metylmetakrylat)

bil baklys lister; flyvinduer.

poly(etylentereftalat)

skjorter og bluser (med bomull); bukser og kåper (med ull); brus flasker; dekksnor (Terylene).

poly(butadien)

gummidekk

nylon 6,6, poly(amid)

tepper; strømpebukse; klær; lagre.

poly(uretaner)

skumisolasjon i kjøleskap; madrasser; puter.

poly(tetrafluoretylen)

non-stick panner (teflon).

poly(akrylnitril)

akryl gensere; tepper (Orlon, Acrilan).

celluloseacetat

rayon klær; tannbørstehåndtak.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Kopolymerer inneholder mer enn én type monomer.

Tre er et viktig materiale. Den inneholder hovedsakelig cellulose (50%) og lignin (30%). Cellulose er et karbohydrat som består av glukoseenheter. Cellulose i tre brukes til å lage papir, celluloseacetat og andre materialer. Lignin er et komplekst stoff laget av fenoliske molekyler. Tre er et vakkert komposittmateriale som ikke er mulig å lage i laboratoriet. Treerstatninger har blitt laget med bruk av plast og andre materialer for å lage dører, vinduer, paneler og møbler.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

Naturgummi er en langkjedet hydrokarbonpolymer som består av enheter, kalt isoprenenheter.

Produkter laget av naturgummi varer ikke lenge. Gummi vulkaniseres derfor ved å varme det opp med svovel. Syntetisk gummi (neopren) produseres med utgangspunkt i en kloralken. Voks er estere av langkjedede karboksylsyrer (fettsyrer). Bivoks har formelen C15H31COOC30H61. Estere av steroidet, kolesterol, brukes i salver.

1.13 Lignende utseende, men forskjellige egenskaper En kokk lagde en søt rett. Han hadde det travelt. Da tiden kom for å tilsette sukker, tok han en flaske som inneholdt et hvitt krystallinsk pulver og tilsatte flere skjeer av det. Deretter serverte han stolt det søte. Så snart folk puttet en skje med søtsakene i munnen, ble ansiktene deres pinlige og noen begynte å rope. Hva hadde skjedd? Kokken hadde tilsatt salt i stedet for sukker. Dette kan skje i et laboratorium. La oss si at det er fire flasker som inneholder hvite pulveraktige materialer. De ser alle like ut. En flaske kan ha sukker og den andre flasken kan ha kaliumcyanid som er en forferdelig gift. Den tredje flasken kan være ammoniumfosfat som er en gjødsel. Den fjerde kan være natron. Alle look-alikes er ikke like.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Noen ganger kan vi skille likestilte. For eksempel hvis vi hadde tre flasker som inneholdt fargeløse væsker, vann, alkohol og eter. Vi kan velge ut hvilken som er hvilken ved lukten. Å lukte kan være farlig hvis væsken er en sterk syre eller et giftig kjemikalie. Det er derfor nødvendig å merke flaskene og ikke bruke, smake eller lukte på kjemikalier i flasker uten etiketter på. Det er tydeligvis ikke hyggelig å smake på en sterk syre når man prøver å finne ut om den sirupsaktige væsken i flasken var honning.

1.14 Rent og urent Et stoff kan være rent eller i blanding med andre stoffer. Det blir nødvendig å finne ut om et stoff er rent og i så fall hvor rent. Mange metoder er tilgjengelige for å analysere renhet. I dag bruker kjemikere forskjellige instrumenter for å

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

sjekke renheten til stoffene. En vanlig metode er kromatografi. Denne generelle teknikken bruker et medium (en kolonne som inneholder en fast absorbent eller et porøst medium som filterpapir) for å separere komponentene i en uren substans eller en blanding av substanser. Anta at du vil finne ut om en prøve av grønt skriveblekk er en ren væske eller en blanding av stoffer. Ta deretter en stripe med filterpapir (3 cm lang) og fest den i et reagensrør som vist i fig. 1(a). Ta et passende løsemiddel (en blanding av etylalkohol og ammoniakkløsning) i røret og fukt filterpapiret med en flekk grønn blekk. La reagensrøret stå en stund og la løsemiddelet stige til toppen av papiret. Du kan se to flekker over den opprinnelige grønne flekken, en gul og den andre blå som vist i fig. 1(b). Det grønne blekket er tydeligvis en blanding av to stoffer, en gul og en annen blå. Her ble papirkromatografi brukt for å identifisere komponentene i grønt blekk. I prinsippet kan også et stykke kritt gi en slik separering av komponenter.

Tegnestift Blå

Papirstrimmel

Gul

Flekk med grønt blekk løsemiddel (a)

(b)

Figur 1

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Blandinger av stoffer i fast tilstand kan separeres og identifiseres ved papirkromatografi eller kolonnekromatografi. Ved kolonnekromatografi føres en løsning av blandingen gjennom en adsorbentkolonne. Vanligvis brukes et materiale som alumina eller kritt som adsorbent. Ulike stoffer går til forskjellige høyder i kolonnen som vist i fig. 2. Blandinger av gasser og damper separeres ved å føre dem gjennom solide adsorbentkolonner (f.eks. alumina). Løsemiddel

Fargede bånd

Alumina eller kritt Glassull

Figur 2 Stoffblandinger kan separeres, eller urene stoffer renses, på flere måter. Med faste stoffer kan krystallisering fra et egnet løsningsmiddel brukes til rensing. Gjentatt krystallisering gir rene faste stoffer. En blanding av to ublandbare

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

væsker (f.eks. olje og vann) kan skilles enkelt ved å bruke en skilletrakt. Hvis de er blandbare (f.eks. benzen og alkohol, benzen og karbontetraklorid, vann og alkohol), brukes destillasjon. Ved destillasjon fordamper først en væske som koker ved lavere temperatur og samles opp gjennom en kondensator. I fig. 3 er det vist et enkelt apparat for destillasjon. For riktig separering av væsker fra blandinger brukes fraksjonert destillasjon.

Termometer

Kondensator Blanding av væsker

Kaldt vann

Varmeapparat Ren væske

Figur 3 Rensing av stoffer er avgjørende for deres bruk i medisinsk og kjemisk praksis. Dette gjøres industrielt med stor innsats og med betydelige kostnader. Enkelte destillasjonskolonner i industrien kan bli flere meter høye.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

1.15 Eksplosjoner og fyrverkeri Det er ikke uvanlig å være vitne til eksplosjoner og brann i et kjemisk laboratorium. Noen forbindelser eksploderer når de brytes ned. Dermed spaltes noen peroksider eksplosivt og gir stabile forbindelser sammen med oksygen. Azider og diazoforbindelser eksploderer for å gi de stabile forbindelsene sammen med nitrogen. Når folk uforsiktig kaster natrium i en vask, reagerer det umiddelbart med vann, og enhver brennbar forbindelse som kan være tilstede i vasken (f.eks. eter) tar fyr. Dette er grunnen til at man må være forsiktig og bruke vernebriller for å beskytte øynene mens man jobber i et laboratorium. Noen ganger kan eksplosjoner være voldsomme og risikable. For eksempel kan hydrogen i nærvær av oksygen eksplodere under visse temperatur- og trykkforhold (normalt kombineres hydrogen og oksygen for å lage vann). I 1967 ble tre amerikanske astronauter drept av en brann i Apollo-modulen. Hytta inneholdt

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

100 % oksygen og brann ble forårsaket av en utilsiktet gnist som antente plastmaterialet. Den største tragedien i en kjemisk fabrikk ble forårsaket i Bhopal i 1984, sannsynligvis på grunn av en vannlekkasje inn i en lagertank som inneholder MIC (metylisocyanat). Dette ga opphav til en løpsk reaksjon og eksplosjon. MIC lekket ut i atmosfæren og drepte eller skadet et stort antall innbyggere. Dette peker på behovet for å være mer forsiktig med å opprettholde høye sikkerhetsstandarder i laboratorier og industrier. Bortsett fra de ovennevnte typene eksplosjoner, har mennesker alltid vært på jakt etter eksplosiver for bruk i krig og til underholdning. For rundt 1000 år siden oppdaget kineserne og araberne krutt, en blanding av kaliumnitrat (KNO3), svovel og trekull. Denne ble erstattet i 1845 av nitrocellulose (våpenbomull). Like etter ble et fryktelig ustabilt eksplosiv, nitroglyserin, oppdaget. Når nitroglyserin eksploderer, produseres omtrent 10 000 ganger sitt eget volum av varme gasser i løpet av et sekund. Alfred Nobel kombinerte nitroglyserin med kiseljord (og senere med tremasse) for å lage dynamitt, i 1867. Han innstiftet også Nobelpriser for vitenskap, av fortjenesten ved å selge dynamitt. De mer moderne sprengstoffene er ammoniumnitrat (NH4NO3), trinitrotoluen (TNT) og blandinger av slike forbindelser. Eksplosiver brukes til konstruksjon (f.eks. åpne tunneler, lage store groper, rivearbeid), i tillegg til militære formål. Raketter ble først brukt av kineserne på 1200-tallet. Tippu Sultan brukte dem i sin krig mot britene i Srirangapatna. Raketter bruker kjemiske drivmidler. De tidlige rakettene brukte krutt som drivmiddel. Moderne

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

raketter bruker væsker så vel som faste stoffer som drivmidler. Typiske flytende drivmidler er en blanding av flytende oksygen og hydrogen. Tyskerne brukte en blanding av flytende oksygen og alkohol under andre verdenskrig. I stedet for oksygen brukes også N2O4 som oksidasjonsmiddel. Annet enn hydrogen (eller alkohol), brukes hydrazin (N2H4)-derivater som drivstoff. Vanlige faste drivmidler bruker ammoniumperklorat (NH4ClO4) og ammoniumnitrat som oksidasjonsmidler, sammen med polyuretan og syntetisk gummi. Aluminium tilsettes i noen tilfeller. Under diwali leker vi med fyrverkeri. Fyrverkeri inneholder oksidasjonsmidler som kaliumklorat (KClO3) og kaliumnitrat. Oksydasjonsmidlene er blandet med drivstoff som karbon (kull) og svovel. Hvitt fosfor brukes som opptenningsmateriale. Magnesium og andre tilsetningsstoffer gir gnister. Kobberoksid (CuO), bariumnitrat (Ba(NO3)2), strontiumkarbonat (SrCO3) og andre materialer gir opphav til ulike farger. Noen prøver å lage fyrverkeri hjemme ved å blande og male kjemikaliene ovenfor. De ender ofte opp med eksplosjoner, noe som resulterer i alvorlige skader og til og med død.

1.16 Maten vi spiser Maten vår består generelt av karbohydrater, proteiner, fett, vitaminer og mineraler. Karbohydrater består av karbon, hydrogen og oksygen. Ris, hvete og sukker består stort sett av karbohydrater. Karbohydrater gir energi, men ingenting annet. Proteiner er organiske nitrogenforbindelser og består av langkjedede molekyler. Proteiner finnes i muskler, blod, brusk og hår. Mat som er rik på proteiner er melk, nøtter og belgfrukter, fisk og kjøtt. Når vi spiser proteiner får de

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

hydrolyseres av enzymer i fordøyelsessystemet til mindre nitrogenholdige molekyler kalt aminosyrer. Aminosyrene brukes deretter av kroppen til å fylle på sine egne proteiner. Proteiner er derfor ikke bare en energikilde, men er avgjørende for å opprettholde proteinnivået i kroppen. Fett er tilstede i olje, smør, ghee og andre meieriprodukter og i noen typer kjøtt. Fett inneholder lange hydrokarbonkjeder og syregrupper. Vi trenger egentlig ikke spise fett. Overflødig karbohydrat blir omdannet til fett i kroppen. Noen oljer inneholder umettede fettsyrer (med dobbeltbindinger) mens noen inneholder mettede fettsyrer. Animalsk fett inneholder triglyserider (glyserinestere av mettede fettsyrer). Smør inneholder 45 % mettet fett. Peanøttolje og saflorolje inneholder henholdsvis 18 % og 9 % mettet fett. Vi bør unngå mettet fett (oljer) i kostholdet vårt. Vitaminer og mineraler finnes i frukt og grønnsaker. De er avgjørende for helsen vår. Vitamin C er en antioksidant og er bra for den generelle helsen. Appelsiner og andre sitrusfrukter inneholder vitamin C. Vitamin C blir ødelagt når det varmes opp under matlaging. Folsyre er et annet hovedbehov for kroppen vår, og mangelen på den fører til alvorlige lidelser. Det finnes i bladgrønnsaker, frukt og belgfrukter. Mye av folsyren blir ødelagt under matlaging. Balansert matinntak er nødvendig for å tilfredsstille kroppens behov. Ernæringsmangel er vanlig i befolkningen i mange av de fattige landene, inkludert India. Visse mangler forårsaker alvorlige sykdommer. For eksempel forårsaker mangel på jod struma som resulterer i hevelse av

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

skjoldbruskkjertelen. Diabetes oppstår når bukspyttkjertelen ikke produserer nok insulin. Kroppen kan bruke sukkeret som den absorberer fra maten, bare hvis insulin er tilgjengelig. Blodet vårt består av hemoglobin (rød del av blodet). Hemoglobin har jern i seg. Hemoglobin kan lages i kroppen bare hvis det er jern. En voksen trenger rundt 0,01 g jern per dag. Fravær av jern i kosten forårsaker anemi. Vi trenger egentlig ikke ekstra sukker i matinntaket vårt. Karbohydratene vi spiser bringer inn nok sukker (glukose). Overdreven fettinntak øker sjansen for hjerteinfarkt, på grunn av blokkering av arteriene av kolesterol. I tabellen nedenfor er det anbefalte daglige ernæringsbehovet for unge voksne vist.

Anbefalt daglig kostinntak for unge mennesker (Alder: 15 - 18 år)* Protein Mann

59 g

Hunn

44 g

Vitaminer

Mann

1000 ug

10 ug

10 mg 65 mg 60 mg 20 mg

Hunn

800 µg

10 ug

8 mg 55 mg 60 mg 15 mg 1,5 mg 180 µg

Mineraler

Niacin

Jeg

Folsyre

2 mg

200 ug

Mann

1200 mg 1200 mg 400 mg 12 mg 15 mg 150 µg 50 µg

Hunn

1200 mg 1200 mg 300 mg 15 mg 12 mg 150 µg 50 µg

* Fra National Academy of Sciences, USA.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

Det er nyttig å se på hva som skjer med maten vi spiser. Nedbrytningen av matmolekyler innebærer oksidasjon. For eksempel blir glukose oksidert som følger: C6H12O6 + 6O2

6CO2 + 6H2O + energi

Nedbrytningen av glukose bidrar til å danne høyenergimolekyler (ATP). For eksempel brytes ett mol glukose i fravær av oksygen ned for å produsere to mol av et molekyl som inneholder tre karbonatomer (pyruvat eller laktat) og nettoenergien som er lagret i denne prosessen er 20 kcal mol-1. I nærvær av oksygen oksiderer laktatet eller pyruvatet til CO2 og H2O, og i prosessen fanges det betydelig energi.

Spis en banan! Når du er trøtt (og føler deg litt svak), spis en banan. Det er en kilde til øyeblikkelig energi. Den har mange gode ingredienser (finn ut hvilke). Te: Te er en virkelig populær drikk i India og i verden for øvrig. De tre vanlige tetypene er ufermentert grønn te, delvis fermentert oolong-te og fermentert svart te. Grønn te (vanligvis brukt i Kina og Japan) inneholder en høy andel (opptil 30%) av polyfenoler eller flavanoler. Når te fermenteres for å lage svart te, gjennomgår flavanoler transformasjoner og gir opphav til teaflaviner (rød-oransje i fargen) og tearubiginer. Te inneholder også alkaloider som koffein og fenolsyrer (f.eks. gallussyre). I tillegg er uorganiske komponenter som kalium, kalsium, fosfor, jern og mangan også tilstede i te.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Har du lagt merke til at det samme temerket gir forskjellige farger på forskjellige steder? Flavanoler og de relaterte bestanddelene i te reagerer med metallioner, og gir en rekke fargede komplekser. Fargen på te avhenger av surheten og hardheten til vannet som brukes. Med alkalisk vann (inneholdende Ca, Mg) får vi mørkebrune farger. Ved tilsetning av syre (f.eks. sitronsaft), blir fargen lysere. Koffein i te er et sentralstimulerende middel. Det øker hjerte- og hjerneaktiviteten. Kaffe inneholder også koffein, men en kopp sterk kaffe har mye mer koffein enn en kopp te. Derfor foretrekker mange koffeinfri kaffe. Visste du? Mange av colaene er sure (lav pH). Visste du? Melk er en emulsjon, bestående av fettmolekyler suspendert i vann.

1.17 Atmosfæren vår Vi lever under et hav av luft som kalles atmosfæren. Det kan ikke være noe liv uten de ulike komponentene i gassene som utgjør atmosfæren. Atmosfæren er hovedsakelig en blanding av gasser. De viktigste gassene i atmosfæren er nitrogen 78 % og oksygen 21 %. Andre gasser utgjør bare 1 %.

Nitrogen 78 % Oksygen 21 % andre gasser 1 %

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

Gasser som finnes i atmosfæren nitrogen, N2 oksygen, O2 argon, Ar karbondioksid, CO2 neon, Ne helium, He metan, CH4 krypton, Kr andre

% av partikler tilstede i luft 78,00 21,00 0,93 0,033 0,0018 0,00052 0,00015 0,00011 hver < 0,0001

I tillegg til de ovennevnte gassene er det noen mindre gasser i atmosfæren. Ozon Karbonmonoksid Svoveldioksid Dinitrogenoksid Nitrogenoksid Ammoniakk

O3 CO SO2 N2O NO NH3

Nitrogen (N2) er avgjørende for at planter skal produsere aminosyrer og proteiner. Planter kan imidlertid ikke bruke atmosfærisk nitrogen direkte. Nitrogen i atmosfæren omdannes til ammoniumforbindelser av visse bakterier i rotknutene til belgfrukter. Denne prosessen kalles nitrogenfiksering. Tjue kilometer over jordens overflate hjelper den innkommende solstrålingen oksygen til å reagere og danne ozon (O3). Ozonlaget absorberer skadelige ultrafiolette stråler som finnes i den innkommende solstrålingen.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Nitrogen syklus

De fleste fenomenene i atmosfæren er sykliske. Vi skal nå se på noen viktige sykliske prosesser som skjer i naturen.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

b735_Ch-01c.pmd

Forstå kjemi

Karbon – oksygen syklus

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Forurensninger: Forurensninger er stoffer som har en uønsket effekt på livet. Noen av de vanlige forurensningene er: svoveldioksid nitrogenoksid karbondioksid

(SO2) (NO) (CO2).

Tilstedeværelsen av noen av disse stoffene i høye konsentrasjoner i atmosfæren forårsaker forurensning. Forurensninger kan være primære eller sekundære. Primære forurensninger slippes ut i atmosfæren som en konsekvens av naturfenomener eller menneskelige aktiviteter (eksempler: svoveldioksid, karbonmonoksid, nitrogenoksider, hydrokarboner, freoner og små faste partikler). Sekundære forurensninger produseres av de kjemiske endringene som involverer primære forurensninger (eksempler: svovelsyre og salpetersyre). Drivhuseffekt: Begrepet drivhuseffekt ble først brukt i 1822 av den franske matematikeren Jean Fourier. Hva er drivhuseffekt? Atmosfæriske gasser lar solstrålingen passere gjennom, men lar ikke den jordiske strålingen slippe ut. Dette er hva glasset gjør i et drivhus. Livet på jorden ville ikke vært mulig uten dets gunstige effekter. På grunn av ulike menneskelige aktiviteter utgjør økt drivhuseffekt en trussel mot livet på jorden. Callender of Great Britain advarte så langt tilbake som i 1939 om farene ved å forstyrre den delikate balansen mellom karbondioksidnivåer!

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

Drivhusgasser Forbrenning av fossilt brensel og rydding av skog bidrar til det økende nivået av karbondioksid.

Oversvømmede rismarker, storfe og søppelfyllinger øker nivåene av metan. Det varer i atmosfæren i opptil 10 år, og absorberingsevnen er 20–30 ganger mer enn karbondioksid.

Lystgass produseres av kjemisk gjødsel og "slash and burn" jordbruk. Den varer opptil 180 år i atmosfæren og absorberer varme 200 ganger mer enn karbondioksid.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Kjøleskap, klimaanlegg og luftsprayer sender alle CFC (klorfluorkarboner, f.eks. CF2Cl2) til atmosfæren. KFK kan vare opptil 400 år i atmosfæren og absorbere varme 16 000 ganger mer enn karbondioksid. Konsekvenser av global oppvarming: Dette vil ha en katastrofal effekt i de frosne tundraområdene. Med smeltingen av permafrosten kan metangass frigjøres i store mengder. Tining av frossen jord vil frigjøre store mengder vann, noe som forårsaker flom og setninger av land. Tundraens økosystem kan ikke lenger støtte den mangfoldige faunaen. Med økning i temperaturer kan mange arter av trær i de tempererte skogene dø ut. Havnivået vil stige og senke mange lavtliggende øyer. Saltvann vil invadere elvemunningene og grunnvannskildene og forurense ferskvannet. Dette vil også ha en katastrofal effekt på floraen og faunaen i mange regioner.

Ozonlag: Ozon (O3) forekommer i små mengder i de øvre lagene av atmosfæren (konsentrert hovedsakelig i den øvre stratosfæren). Ozon er ustabilt og splittes lett i O2 og O av de ultrafiolette strålene som er tilstede i den innkommende solstrålingen. Oksygenmolekyl (O2) og oksygenatom (O) kombineres igjen for å danne nye ozonmolekyler. Dette pågår

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

syklus beskytter jorden. Skadelige ultrafiolette stråler hindres dermed i å nå jordoverflaten av ozonlaget.

ozon absorberer ultrafiolette stråler

Sur nedbør: Primære forurensninger (svoveldioksid og nitrogenoksider) forekommer i gassform i atmosfæren. Disse løses opp i regndråpene i atmosfæren og faller ut som svovelsyre, svovelsyre, salpetersyre og salpetersyre. Sur nedbør har ødelagt tusenvis av dekar med skog. Sur nedbør øker surheten i innsjøer og elver, som igjen kan drepe livet i havet.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Sur nedbør forårsaker korrosjon av metaller, erosjon av marmor, kalkstein og mørtel. Sur nedbør er ansvarlig for å løse opp tungmetaller som sink og kadmium i grunnvannet, noe som gjør det giftig.

1.18 Vann

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

Vann er den vanligste kjemiske forbindelsen på jorden. Mye av jordens overflate er dekket av vann. Den totale vannmengden på jorden er 1018 tonn eller 1024 gram. Menneskekroppen består hovedsakelig av vann. Vann er avgjørende for livet. Derfor kan vi bare ha liv på en annen planet hvis den har vann. Vann er det eneste stoffet som finnes i de gassformige (vanndamp), flytende og faste (is/snø) tilstander i naturen. Mange stoffer løses opp i vann. For eksempel er salt og sukker svært løselig i vann. Vi kan utføre mange kjemiske reaksjoner i vann. Flere kjemiske stoffer inneholder vann, som H2O-molekyler. Et godt eksempel er kobbersulfat, CuSO4.5H2O. Det er stoffer som har en tendens til å absorbere vann. Typiske eksempler er CaCl2, P2O5 og H2SO4.

Transpirasjon

Energi

Nedbør Vann siver gjennom bakken

Fordampning

Akvifer

Vann er tilgjengelig for oss gjennom vannets kretsløp.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Vannkvalitet: Siden vann kan løse opp mange ting, kan kvaliteten på vannet variere mye. Noen prøver av vann kan være sure, mens andre kan inneholde forskjellige salter. Vann kan også inneholde mikroorganismer. Hardt vann: Stoffer som er tilstede i vann varierer fra sted til sted, avhengig av jord og steiner som er tilstede. Et vanlig stoff som finnes i vann er kalsiumsaltet, kalsiumbikarbonat, Ca(HCO3)2. Vann som inneholder betydelige mengder oppløst kalsium, magnesium og jernsalter kalles hardt vann. Det finnes to typer hardhet: • midlertidig hardhet forårsaket av kalsiumbikarbonat, Ca(HCO3)2, eller magnesiumbikarbonat, Mg(HCO3)2. • permanent hardhet forårsaket av kalsiumsulfat (CaSO4), eller magnesiumsulfat (MgSO4). Fjerning av hardhet av vann: Midlertidig hardhet av vann kan fjernes ved koking. Når vann med midlertidig hardhet kokes, faller kalsium- og magnesiumioner ut som karbonater. Reaksjonen kan vises som: 2HCO32- (aq)

CO32-(aq) + H2O (l) + CO2 (g)

Ca2+ (aq) + CO32- (aq)

CaCO3 (s)

Permanent hardhet av vann kan ikke fjernes ved koking. Den enkleste metoden for å fjerne permanent hardhet av vannet er ved å tilsette vaskebrus eller natriumkarbonat (Na2CO3). Kalsiumionene (magnesiumioner) blir utfelt som kalsiumkarbonat (magnesiumkarbonat). Reaksjonen kan vises som følger: Ca2+SO42- + (Na+)2CO32-

b735_Ch-01c.pmd

CaCO3(s) + Na2SO4

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

Biologisk forurensning: Biologisk forurensning av vann måles generelt i form av biologisk oksygenbehov (BOD). Oksygeninnholdet i vann bestemmes før og etter inkubering i mørke i 5 dager ved 20°C. BOD er gitt i milligram/dm3 (desimeter3). Hvis BOD er mindre enn 30 mg/dm3, er vannet ikke forurenset. Kjemisk forurensning: Kjemisk forurensning av vann er et alvorlig problem. Mange industrier slipper ut forurenset vann til elver og innsjøer. For eksempel slippes det generelt ut 24 tonn avløpsvann for hvert tonn produsert papir. Flere tusen tonn urenset kloakkvann slippes også ut i hav og elver.

Vannforurensning er ansvarlig for de fleste sykdommene i fattige land. Sykdommer som tyfus, kolera, dysenteri og diaré er forårsaket av forbruk av forurenset vann. Fluorforurensning: En høy konsentrasjon av oppløste fluorsalter er uegnet til konsum og er ekstremt skadelig. Det forårsaker beinråte, tannråte og relaterte deformiteter. Fluorforurensning er et alvorlig problem i enkelte deler av India.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Kjemi i en kapsel

Rensing av vann: Forurenset vann kan renses ved passende kjemisk behandling og andre metoder. La oss ikke glemme at de fleste i India ikke har rent drikkevann. Hvis de kan ha rent drikkevann, kan de fleste sykdommer unngås. Destillasjon av vann: Hvis vi ønsker veldig rent vann, fås det ved destillasjon. Vi bruker destillert vann i bilbatterier og også til mange formål i laboratorier. Destillert vann brukes til å gi injeksjoner til pasienter. Vet du at mør kokos (kokosvann) er like ren som destillert vann? Verdenshavene inneholder mange salter. Gjennomsnittlig saltholdighet i sjøvann er 35 gram oppløste salter i ett kilo havvann. Mange mineraler finnes i havet. Brom hentes fra sjøvann. Havet er en rik kilde til mat. Tang er en kilde til kjemikalier.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

Forstå kjemi

Destillasjon av sjøvann er en måte å få vann til husholdningsbruk på. Mange deler av verden, inkludert India, mangler drikkevann, selv om det er rikelig med sjøvann tilgjengelig. En måte å rense sjøvann på er å føre det gjennom visse filmer (membraner) med små porer. Membranene lar kun rent vann passere gjennom. Visse stoffer, for eksempel ionebytterharpikser, brukes ofte for å fjerne forskjellige ioner eller salter fra vann.

Konklusjoner Kjemi er en eksperimentell vitenskap og innebærer observasjon av transformasjoner i stoffer, og fremstilling av stoffer. Kjemi gjennomsyrer verden rundt oss. Kjemi hjelper oss å forstå naturen og livsprosesser. Det er gjennom kjemi vi kan lage en rekke materialer med nye egenskaper. Uten kunnskap om kjemi kan vi ikke forbedre livskvaliteten vår. Små ting får store ting til å skje I januar 1986 hadde den amerikanske romfergen Challenger en katastrofal eksplosjon. Den berømte fysikeren Richard Feynman viste hvordan dette ble forårsaket av svikt i gummi-O-ringene. Ved lave temperaturer mister gummi sin spenst. Så O-ringene fungerte ikke som gode tetninger, og fikk varme gasser til å lekke, noe som forårsaket eksplosjonen.

b735_Ch-01c.pmd

24.06.2009, 15:19

2 ELEMENTER OG PERIODISK TABEL

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

90 Forstå kjemi

Mål •

I denne leksjonen undersøker vi hvordan kunnskapen vår om grunnstoffene har utviklet seg over en periode og lærer å beskrive grunnstoffene i form av den elektroniske strukturen til atomer. Vi prøver deretter å forstå klassifiseringen av grunnstoffer, og hvordan forsøk på å klassifisere fødte det periodiske systemet.

•

Vi diskuterer viktige trekk ved det moderne periodiske system og ser hvordan det gir grunnlag for å forklare og forutsi egenskaper til stoffer. Vi bruker også denne leksjonen til å følge noen aspekter av kjemiens historie.

Det finnes millioner av stoffer med forskjellige sammensetninger og egenskaper. De kan være tilstede i form av faste stoffer, væsker og gasser. Imidlertid er det fantastiske faktum at disse millioner av stoffer er varierte kombinasjoner av mindre enn 100 naturlig forekommende elementer. Fram til 1500-tallet var bare 10 grunnstoffer kjent. Jern Fe Karbon C

Kobber Med Tinn Sn

Sølv Ag Bly Pb

Gull Au Antimony Sb

Kvikksølv Hg Svovel S

2.1 Moderne grunnstoffbegrep Innen 1661 var den grunnleggende forskjellen mellom en blanding og en kjemisk forbindelse blitt forstått. Robert Boyle påpekte hvordan Aristoteles begrep om elementer var feil.

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

Grunnstoffer og det periodiske system 91 Boyle hevdet at ild, vann, luft og jord ikke kunne betraktes som grunnstoffer fordi •

de kunne ikke kombineres for å danne andre stoffer og

•

de kunne ikke separeres eller utvinnes fra andre stoffer.

Boyle understreket viktigheten av de fysiske egenskapene til elementene. I følge Boyle, elementer •

var enkle, ublandede kropper.

•

var ikke sammensatt av andre lignende eller forskjellige organer.

•

var unike stoffer.

Fra dette tidspunktet betydde begrepet element en materiell substans. Tjue grunnstoffer var kjent i 1775. Jern (Fe)

Kobolt (Co)

Nikkel (Ni)

Platina (Pt)

Sølv (Ag)

Kvikksølv (Hg)

Karbon (C)

Tinn (Sn)

Lead (Pb)

Kobber

Nitrogen (N)

Oksygen (O)

Fosfor (P)

Arsen (As)

Vismut (Bi)

Svovel (S)

Gull (Au)

Sink (Zn)

Hydrogen (H)

Antimon (Sb)

Kjemiske kriterier for å identifisere elementer basert på eksperimentelle data ble etablert på midten av 1700-tallet. I 1789 publiserte Lavoisier fra Frankrike den første listen over kjemiske elementer. På grunnlag av eksperimentelle data hadde listen hans 23 elementer. Han brukte kjemisk nedbrytning som grunnlag for klassifisering av grunnstoffer.

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

92 Forstå kjemi I 1807 la Humphry Davy fra Storbritannia til ytterligere to elementer til listen over kjente grunnstoffer - natrium og kalium.

Davy Det var ikke noe avtalt format for å navngi elementene frem til tidlig på 1800-tallet. I 1814 foreslo baron Jons Jakob Berzelius at •

startbokstaven i navnet på et grunnstoff brukes som kjemisk symbol.

•

hvis grunnstoffet hadde et latinsk navn som ikke lenger ble brukt, skal det kjemiske symbolet være fra det latinske navnet.

•

hvis to eller flere elementer hadde navn som begynner med samme alfabet, skal den neste karakteristiske bokstaven legges til den første bokstaven (H, He, Ni, Na, Ne).

Behov for å ordne elementer i en rekkefølge: Fremskritt innen kjemi forbedret forståelsen av elementenes egenskaper. Det var behov for å ordne de kjente elementene i en rekkefølge. For å gjøre dette ble en forståelse av atomets struktur nødvendig.

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

Grunnstoffer og det periodiske system 93

LAVOISIER (1743 – 1794) Antoine Laurent Lavoisier blir av mange sett på som kjemiens far. Han var sønn av en velstående fransk advokat og ble uteksaminert i jus. Kjemi fascinerte Lavoisier og han viet livet sitt til studiet av kjemiske fenomener. Han var kanskje den første kjemikeren som anerkjente viktigheten av kvantitative målinger. Han utledet loven om bevaring av masse ved å nøye veie reaktanter og produkter i kjemiske reaksjoner. Lavoisier gjorde mange funn som forklarte forbrenningens natur. Lavoisier slo fast at luft består av oksygen og nitrogen. Det er en fryd å se de gamle papirene til Lavoisier hvor han grafisk beskriver eksperimenter med vakre tegninger. Han ble et offer for den franske revolusjonen, hvor han ble giljotinert. Som Laplace sa: "Det tok et minutt å halshugge Lavoisier, men det vil ta tusenvis av år å lage et slikt hode."

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

94 Forstå kjemi

2.2 Det moderne atomet I 1904 oppdaget J. J. Thomson elektronet. Han foreslo at elektronet •

hadde ubetydelig masse;

•

hadde negativ ladning; og

•

var en bestanddel av alle elementer.

De første ideene til det moderne atomet skyldes Lord Rutherford (1911). Både Thomson og Rutherford jobbet i Cambridge (U.K.). Atomet har en positivt ladet kjerne. Kjernen er veldig liten i volum. Den inneholder (positivt ladede) protoner og nøytroner (uten ladning). Protoner er derfor ansvarlige for ladningen til kjernen.

Kjernen

sky av elektroner

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

Grunnstoffer og det periodiske system 95 Negativt ladede elektroner omgir kjernen og opptar det meste av volumet. Massen til et atom skyldes nesten utelukkende protoner og nøytroner.

Massetall: Massetallet til et grunnstoff er summen av protoner og nøytroner i kjernen.

Atomnummer: Atomnummeret til et grunnstoff er lik antall protoner i kjernen. Atomer er nøytrale fordi de har samme antall elektroner og protoner. Antall elektroner i et nøytralt atom er også lik atomnummeret. Isotoper av et grunnstoff har samme atomnummer, men forskjellige massetall. Deuterium (D) og tritium (T) er isotoper av hydrogen (H) med massetall på henholdsvis 2 og 3. Niels Bohr (Danmark) foreslo i 1913 at elektroner beveger seg rundt kjernen i baner. Hver bane er assosiert med en bestemt energi. De forskjellige banene skilles ved å gi tall til dem. Disse tallene kalles hovedkvantetall (med symbolet n). De har verdiene 1, 2, 3, . . . . Elektroner med forskjellige verdier på n blir også referert til som tilhørende forskjellige skall. Når tallet n øker, øker energien til elektronet.

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

96 Forstå kjemi Hvis et elektron hopper fra en bane til en annen, vil det være en endring i energi. For eksempel, hvis et elektron går fra bane 1 (energi E1) til bane 2 (energi E2), er endringen i energi gitt av E2–E1. Denne energiendringen er ledsaget av absorpsjon av stråling. Energien til strålingen er gitt av ligningen, E2 – E1 = hυ der υ er strålingsfrekvensen og h er Planck-konstanten. Verdien av h er 6,626 x 10−34 J-s. Absorpsjonen og emisjonen av lys på grunn av elektronhopp i atomer måles ved å bruke spektrometre.

SPEKTROMETERET Spektroskopi er et kraftig verktøy for moderne vitenskap. Det tidlige spektrometeret (spektroskopet) dissekerte lys ved bruk av et prisme eller et diffraksjonsgitter. Ved å bruke et spektrometer kan man identifisere elementer, for eksempel ved fargen på lyset de sender ut. Natrium-, strontium- og kobberforbindelser når de plasseres i en flamme gir henholdsvis gule, crimson og grønne farger. Kilden til lys kan være en karbonbue (eller en laser). Prøven plasseres foran lyskilden og lyset som absorberes eller sendes ut analyseres av spektrometeret. Bølgelengdene eller frekvensene for absorpsjon eller emisjon avhenger av overgangene til elektronene i et grunnstoff. Dermed har hydrogen, litium og alle andre grunnstoffer sitt karakteristiske spektrum.

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

Grunnstoffer og det periodiske system 97 Frekvensen til stråling υ, er relatert til bølgelengden, λ, ved relasjonen, c υ= λ Her er c lysets hastighet (3 × 108 ms−1). Det ble påpekt av de Broglie i 1924, at elektronet, akkurat som lys, har bølgeegenskaper. Bølgen assosiert med et elektron kalles en orbital. Hvordan spesifiserer vi energiene til forskjellige elektronorbitaler? For å gjøre dette er det nødvendig å beskrive elektroner eller deres energier mye mer spesifikt. Dette krever mer enn ett kvantenummer. Vi skal først bruke to tall (kvantetall) for å illustrere hvordan elektroner kan beskrives individuelt. Først har vi kvantetallet med verdiene 1, 2, 3, … med symbolet n. Vi definerer nå et annet kvantenummer “l” (bokstaven “el” ) For hver verdi av “n” kan det være forskjellige verdier av “l” som varierer mellom 0 og (n−1). La oss se hvordan dette fungerer. n = 1, "l" kan bare være 0 n = 2, "l" kan være 0 eller 1 n = 3, "l" kan være 0, 1 og 2 n = 4, "l" = ? Elektroner med "l" = 0, 1, 2, 3 ...... kalles s, p, d og f elektroner. Vi skal nå liste opp de forskjellige typene elektroner (elektroner med forskjellige energier).

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

98 Forstå kjemi n = 1, 1s n = 2, 2s, 2p n = 3, 3s, 3p, 3d n = 4, 4s, 4p, 4d, 4f Maksimalt antall elektroner i en s-orbital er 2. Maksimalt antall av elektroner i en p-orbital er 6. Maksimalt antall elektroner i en d-orbital er 10. Maksimalt antall elektroner i en f-orbital er 14. Vi kan nå se hvordan elektroner kan ordnes i atomer med økende atomnummer. Atomnummer

Element

Beskrivelse av elektroner

1s1

Han

1s2

1s2 2s1

Være

1s2 2s2

1s2 2s2 2p1

1s2 2s2 2p2

1s2 2s2 2p3

1s2 2s2 2p4

1s2 2s2 2p5

1s2 2s2 2p6

Aufbau-prinsippet: Rekkefølgen for å fylle orbitalene kalles Aufbau-prinsippet. Aufbau på tysk betyr å bygge opp.

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

Grunnstoffer og det periodiske system 99 I følge dette prinsippet, •

elektroner bør ordnes i rekkefølgen av deres økende energier.

•

Rekkefølgen 1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d … er rekkefølgen av økende energi.

Ovennevnte orbitalfyllingsdiagram hjelper til med å forstå den elektroniske konfigurasjonen til et element. Elektroner okkuperer alltid orbitaler med lavest energi først. For eksempel, i litium, okkuperer to elektroner 1s orbital, det tredje elektron okkuperer 2s orbital. 2s-orbitalen er fylt i beryllium (1s2, 2s 2). I de neste seks elementene, dvs. bor til neon, blir 2p-orbitalene fylt. Merk! Etter 3p blir 4s fylt, og IKKE 3d.

b735_Ch-02a.pmd

02.07.2009, 10:36

100 Forstå kjemi

2.3 Ordne grunnstoffer Atomnummer

Massenummer

Elementer kan ordnes på grunnlag av

Periodisitet

Likheter

På begynnelsen av det nittende århundre hadde rundt 50 elementer blitt identifisert og egenskapene deres studert. Behovet for å ordne elementene på en logisk måte førte til forskjellige forsøk på å lage et periodisk system. I 1817 oppdaget Dobereiner at når kalsium (Ca), barium (Ba) og strontium (Sr) ble oppført under hverandre, hadde de lignende egenskaper. Ca Sr Ba

Atommassen til strontium var nær gjennomsnittet av atommassene av kalsium og barium. Egenskapene til strontium var også et gjennomsnitt av egenskapene til kalsium og barium.

Dobereiner var den første som identifiserte triadene og brukte atommassen som grunnlag for gruppering.

b735_Ch-02a.pmd

100

02.07.2009, 10:36

Grunnstoffer og det periodiske system 101 I 1829 ble ytterligere to triader oppdaget. Cl

Klor

Litium

Brom

Natrium

Allerede

Jod

Kalium

Jeg

I 1862 foreslo De Chancourtois (Frankrike) at egenskapene til elementer er egenskapene til tall. Hvordan kom han til denne viktige konklusjonen? De Chancourtois valgte en sylinder med en omkrets på 16 enheter. Hvorfor valgte han 16 enheter? Det var den omtrentlige atommassen av oksygen. Elementer ble deretter arrangert i en økende rekkefølge av atommassen.

b735_Ch-02a.pmd

101

02.07.2009, 10:36

102 Forstå kjemi Chancourtois la merke til at elementer med lignende egenskaper falt på en vertikal linje fra midten av spiralen. Figuren illustrerer arrangementet av alle elementene etter Chancourtois idé. I 1864 valgte Newland (England) hydrogen, litium, beryllium, bor, karbon, nitrogen og oksygen som de første syv grunnstoffene. H 1

Li 2

Vær 3

B 4

C 5

N 6

O 7

Han fant ut at når disse elementene ble serienummerert som 1, 2, 3, . . . 7, og arrangert i rekkefølge, ble egenskapene til det åttende elementet gjentatt som den åttende tonen i vestlige musikknoter.

Basert på denne observasjonen postulerte Newland oktavenes lov. Det åttende elementet, med utgangspunkt i et gitt element, er en slags repetisjon av det første, som åttendetonen i en oktav i musikk. Hva var den største ulempen med oktaverloven? Det var bra bare for de første 17 elementene.

b735_Ch-02a.pmd

102

02.07.2009, 10:36

Grunnstoffer og det periodiske system 103 H 1

Li 2

Vær 3

B 4

C 5

N 6

O 7

F 8

Det er 9

Mg 10

Al 11

Og 12

P 13

S 14

Cl 15

K 16

Ca 17

Cr 18

Av 19

Mn 20

Fe 21

Newland var den første til å bruke tall i en seriell rekkefølge og forutsi periodisitet.

2.4 Det moderne periodiske system I 1869 publiserte Mendeleyev, den store russiske kjemikeren, den første versjonen av sitt periodiske system. Jeg

III

VII

Være

Allerede

Som

VIII

Fe Co Ni

Periode

Perioder er "rader" og grupper er "kolonner".

b735_Ch-02a.pmd

103

02.07.2009, 10:36

G r o u s

104 Forstå kjemi Hvordan var Mendeleyevs klassifisering av elementer en forbedring i forhold til tidligere versjoner? Mens tidligere periodiske tabeller fokuserte på en enkelt observert egenskap, korrelerte Mendeleyev alle kjente og observerte funksjoner som periodisitet, triader (grupper) og kjemiske egenskaper. Mendeleyev listet først de kjente elementene i en stigende rekkefølge av deres atommasse. 1

Være

Allerede

Hver rad (punktum) hadde syv elementer. I hver rad (periode) hadde det første elementet lignende egenskaper som det første elementet i forrige rad (periode). Siden hydrogen ikke passet inn i mønsteret, startet Mendeleyev (og også Meyer tidligere) den første raden med litium. Hva er de enestående egenskapene til Mendeleyevs periodiske system? Mendeleyev

b735_Ch-02a.pmd

•

ordnet de kjente elementene i en tabellform.

•

nummererte grunnstoffene etter deres atommasse (massenummer).

•

ordnet dem i økende rekkefølge av atommassen.

•

plasserte ikke odde elementer i hovedgruppene (Fe, Co, Ni).

104

02.07.2009, 10:36

Grunnstoffer og det periodiske system 105

DMITRI MENDELEYEV (1834 – 1907) Dmitri Mendeleyev ble født i en stor familie på sytten, i Sibir, Russland. Han oppnådde en mastergrad i kjemi fra universitetet i St. Petersburg i 1856, og underviste deretter ved universitetet. Han ble utnevnt til professor i uorganisk kjemi i 1867. Hans store lærebok kalt Principles of Chemistry førte til systematisk og periodisk arrangement av grunnstoffene. Det er mest troverdig at han anså egenskapene til grunnstoffene for å være relatert til deres atommasser, siden strukturen til atomer var ukjent på den tiden. For å bringe visse grunnstoffer inn i den riktige gruppen på grunn av deres kjemiske egenskaper, snudde han rekkefølgen til noen av grunnstoffene og hevdet at deres atommasse var feil. Da det periodiske systemet ble dannet, ble mange ledige plasser tydelige. Mendeleyev sto overfor valget mellom å forlate opplegget sitt som ugyldig eller å erklære at disse ledige plassene måtte tilhøre uoppdagede elementer. Han spådde egenskapene til noen av de ukjente elementene fra trendene som ble observert blant egenskapene til beslektede elementer. Mendeleyev var et geni som var interessert i mange vitenskapsfelt. Han jobbet med mange problemer knyttet til Russlands naturressurser. Han oppfant et nøyaktig barometer. Han var direktør for Bureau of Weights and Measures til sin død i 1907.

b735_Ch-02a.pmd

105

02.07.2009, 10:36

106 Forstå kjemi Hvorfor etterlot Mendeleyev hull i det periodiske systemet sitt? Da Mendeleyev arrangerte elementene, måtte han hoppe over steder for å opprettholde likheten i egenskapene til elementene i de vertikale søylene (gruppene). Han var sikker på at det manglet elementer (elementer som ennå ikke var oppdaget). For eksempel, i gruppe IV (karbongruppen), visste han at tinn ikke kunne innta plassen rett under silisium. Han etterlot et tomrom for elementet som ennå ikke var oppdaget og kalte dette elementet eka-silisium. Ved å studere egenskapene til grunnstoffene i denne gruppen, var han i stand til å forutsi egenskapene til eka-silisium. I 1886 oppdaget Winkler, i Tyskland, det manglende elementet og kalte det germanium!

Egenskaper til eka-silisium forutsagt av Mendeleyev

b735_Ch-02a.pmd

Egenskaper til Germanium

Farge

lysegrå

mørk grå

Atommasse

72,6

Tetthet

5.5

5,47

Atomvolum

1. 3

13.2

Oksyd

XO 2 Høyt smeltepunkt Tetthet 4,7 g cm−3

GeO 2 Smeltepunkt >1000°C Tetthet 4,703 g cm−3

Klorid

Kokepunkt ensom par-binding par > binding par-binding par. Dermed bidrar antallet bindingspar og ensomme par i sentralatomet til å bestemme formene til molekyler og ioner. Former av enkle molekyler og ioner Antall elektronpar

b735_Ch-04.pmd

Arrangement av elektronpar

Lineær

Trigonal plan

163

Form

Eksempler

BeCl2, HgCl2

BF3, BCl3 CO32-, NO3-

23.06.2009, 18:48

164

Forstå kjemi

Tetraedrisk

SiF4, CH4, NH4+, PO43-

Trigonal bipyramidal

PCl5

Oktaedral

SF6, [PF6]-

4.2 Hybridisering Elektroner er ikke bare partikler. De har bølgeegenskaper. Orbital er begrepet som brukes for å beskrive et elektron i bølgebildet. Fordi de er bølger, kan vi blande de forskjellige typene bølger (elektroner). Ulike orbitaler (elektroner) har forskjellige former.

b735_Ch-04.pmd

164

23.06.2009, 18:48

Strukturer og former for molekyler

s-orbital

165

p-orbital

Vi tilsetter salt og pepper etter vår smak. På samme måte kan vi blande s- og p-elektroner for å oppnå en ønsket blanding. At slik blanding kan gjøres ble først foreslått av Linus Pauling. For eksempel inneholder sp, sp2 og sp3 forskjellige proporsjoner av s- og p-elektroner. s p I sp er s-tegnet ½ eller 50 %. P-tegnet er også 50%. s I sp2 er s-tegnet 1/3 eller 33,3 %. P-tegnet er 66,7 %. I sp3 er s-tegnet ¼ eller 25 %. P-tegnet er 75 %.

Siden s-orbitalen er sfærisk og p-orbitalen er formet som en manual, resulterer blanding av s- og p-orbitaler i forskjellige proporsjoner i forskjellige former. Blanding av orbitaler kalles hybridisering. De blandede orbitalene kalles hybridorbitaler. For eksempel, når en s orbitaler og en p orbitaler blandes, får vi to sp hybrid orbitaler. Sp hybrid orbital er lineær.

b735_Ch-04.pmd

165

2 sp hybrid orbitaler

23.06.2009, 18:49

166

Forstå kjemi

Når en s orbitaler er blandet med to p-orbitaler, får vi tre sp2 hybridorbitaler. Sp2 hybrid orbital har en trigonal plan form.

p + p

tre sp2 hybridorbitaler (trigonal plan)

Når vi blander en s og tre p orbitaler, får vi fire sp3 hybrid orbitaler. Sp3 hybrid orbital har en tetraedrisk form.

p + p + p

fire sp3 hybrid orbitaler (tetraedriske)

La oss oppsummere formene til de tre orbitalene som er dannet ved å blande s- og p-orbitalene. sp er lineær, sp2 er trigonal plan og sp3 er tetraedrisk.

b735_Ch-04.pmd

166

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

sp2 – trigonal plan

sp – lineær

167

sp3 – tetraedrisk

Det er ikke bare s-orbitalene og p-orbitalene som kan blandes for å gi forskjellige former. Vi kan også blande andre typer orbitaler. La oss se hvordan forskjellige former av molekyler oppnås ved å blande d-, s- og p-orbitaler. Blanding av en d, en s og to p orbitaler gir dsp2 hybrid orbitaler. Eksempel på dsp2:

[PtCl4] Denne har en kvadratisk-plan geometri. Vi kan blande to d, en s og tre p orbitaler for å få d2sp3 hybrid orbitaler.

b735_Ch-04.pmd

167

23.06.2009, 18:49

168

Forstå kjemi

Eksempel på d2sp3:

[Fe(CN)6]3Det er oktaedrisk. La oss se på blandingen av orbitaler i karbonforbindelser. Den elektroniske konfigurasjonen av karbon er 1s2 2s2 2p2. For å danne orbitaler fra blanding av s- og p-orbitaler, endres den elektroniske konfigurasjonen av karbon til 1s2 2s1 2p3.

Nå kan en 2'er blandes med en 2p, to 2p eller tre 2p orbitaler for å gi sp, sp2 og sp3 orbitaler som følger: 1 (s) + 1 (p) 1 (s) + 2 (p)

2 (sp) + 2 (p) igjen. 3 (sp2) + 1 (p) igjen

1 (s) + 3 (p)

4 (sp3)

I metan, CH4, overlapper hver av sp3-orbitalene til karbonatomet med 1s-orbitalen til et hydrogenatom.

b735_Ch-04.pmd

168

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

169

Metan er et tetraedrisk molekyl. Akkurat som CH4, er CCl4 også tetraedrisk, og det samme er mange derivater av metan. Alle de fire CH-bindingene i CH 4 er sigma-bindinger (σ-bindinger). Husk at en sigmabinding er en binding langs bindingens akse (eller skyldes elektrontettheten mellom de to atomsentrene). I etylen, C2H4, kombineres to karbonatomer med fire hydrogenatomer. Her gjør hvert karbonatom bruk av sp2-orbitalene (som er trigonale). To av sp2-orbitalene til hvert karbonatom overlapper med 1s-orbitalene til hydrogenatomer. Den gjenværende (tredje) sp2-orbitalen til karbonatomet overlapper den til den andre, og danner en CC-binding.

b735_Ch-04.pmd

169

23.06.2009, 18:49

170

Forstå kjemi

Det vil si at hvert karbonatom danner to sigmabindinger (σ-bindinger) med to hydrogenatomer og en σ-binding med et annet karbonatom. Merk at etter å ha dannet sp2-orbitaler, vil det være en p-orbital igjen på hvert karbonatom. Disse p-orbitalene forblir i en retning vinkelrett på bindingen dannet av sp2-orbitaler. De to p-orbitalene danner en π-binding (pi-binding). Når vi skriver etylen, C2H4 som

en av bindingene mellom de to karbonatomene tilsvarer den som dannes av de to sp2-orbitalene. Den andre skyldes π-bindingen. π-bindingen er vinkelrett på retningen til σ-bindingen mellom de to karbonatomene.

Acetylen er et eksempel på sp-hybridisering.

Hva er tolkningen av trippelbindingen her? Hvor mange π (pi) bindinger har vi her? Vi har to π-bindinger mellom karbonatomene og en σ-binding. Karbon-hydrogenbindingen er en σ–binding. De to π-bindingene er vinkelrette på hverandre og de er begge vinkelrette på C C σ-bindingen.

b735_Ch-04.pmd

170

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

171

4.3 Former på enkle molekyler Vi ser ofte på molekyler ved å bruke ball- og stokkmodeller som vist nedenfor:

Metan

Etylen

Acetylen

Benzen

Ball- og stokkmodeller gir ikke en ide om de virkelige molekylformene. Plassfyllende modeller gir et bedre bilde av formene. La oss se på noen få plassfyllende modeller.

b735_Ch-04.pmd

171

23.06.2009, 18:49

172

Forstå kjemi

Metan

Ball og stokk modell

Plassfyllende modell

Etylen

Ball og stokk modell

Plassfyllende modell

Acetylen

Ball og stokk modell — Hydrogen

b735_Ch-04.pmd

172

Plassfyllende modell — Carbon

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

173

Benzen

Ball og stokk modell

Plassfyllende modell

Diamant består av et uendelig nettverk av CC enkeltbindinger på 1,54Å. Karbonatomene er tetraedrisk bundet (sp3). Diamant

C C enkeltbinding

b735_Ch-04.pmd

173

23.06.2009, 18:49

174

Forstå kjemi

Grafitt består av seks-leddede ringer laget av karbon-karbonbindinger på 1,34 Å. Se hvordan karbonatomene er stablet i grafitt.

3.4 Å

Grafitt

Grafitt er en uendelig plan struktur dannet av sp2-karboner. Den nye formen for karbon som ble oppdaget i 1985, Buckminster fulleren, har formelen C60. Det er en perfekt sfære og bindingsavstanden mellom karbonatomer er rundt 1,4 Å. Det ser ut som en fotball. C60 kalles populært for bucky ball. C60

Ball og stokk modell

b735_Ch-04.pmd

174

Plassfyllende modell

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

175

4.4 Isomerer Noen karbonforbindelser har samme molekylformel, men har ulike strukturformler. For eksempel kan forbindelsen C2H6O ha to forskjellige strukturformler.

Etanol

Metoksymetan (dimetyleter) CH3O CH3

C2H5OH - Karbon

— Hydrogen

— Oksygen

Disse to er isomerer. Vi kan ha forskjellige isomerer av enkle hydrokarboner som vist nedenfor: CH3 CH2 CH2 CH2 CH3

vanlig pentan

CH3 CH3 CH

CH2

CH3

isopentan

CH3H3C

CH3

neopentan

CH3

b735_Ch-04.pmd

175

23.06.2009, 18:49

176

Forstå kjemi

I disubstituerte benzener er orto-, meta- og paraisomerer mulige (se leksjon 1). Se på følgende strukturer av dikloretylen eller etylendiklorid.

De har samme molekylformel C2H2Cl2, men deres strukturformler er forskjellige. De to strukturene er geometriske isomerer. La oss se på C2H2Cl2 igjen.

(b)

(en)

Legg merke til plasseringen av Cl og H i figurene (a) og (b). I figur (a) er kloratomene på samme side av dobbeltbindingen. I figur (b) er de på motsatte sider av dobbeltbindingen. Struktur (a) er cis-form og struktur (b) er trans-form.

b735_Ch-04.pmd

176

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

177

Et annet eksempel på cis-trans-isomerer er maleinsyre og fumarsyre. De har formelen HOOC(H) C C (H)COOH.

Maleinsyre - Karbon

Fumarsyre - Oksygen

— Hydrogen

Louis Pasteur viste at isomerer kan eksistere i to forskjellige arrangementer som ikke kan legges over hverandre, men er speilbilder av hverandre. Slike isomerer kalles optiske isomerer.

Optiske isomerer av melkesyre

b735_Ch-04.pmd

177

23.06.2009, 18:49

178

Forstå kjemi

Disse er som våre hender; venstre og høyre hånd er speilbilder. Flere forbindelser som forekommer i naturen viser optisk isomerisme. Den viktige egenskapen som skiller de to optiske isomerene er den optiske aktiviteten. En av isomerene roterer planet av polarisert lys til høyre og en annen roterer det til venstre. Hvis vi har en blanding som inneholder like mengder av de to isomerene, vil det ikke være noen rotasjon av planet av polarisert lys. En slik blanding kalles en racemisk blanding. Det finnes metoder for å skille de to isomerene fra en slik blanding. Optisk aktivitet (og isomerisme) finnes når et karbonatom er festet til fire forskjellige grupper (som i melkesyre ovenfor). Slike karbonatomer er asymmetriske. Asymmetriske molekyler kalles kirale molekyler. Kiralitet er en viktig egenskap. Mange av legemidlene (medisinene) vi tar er aktive (eller har ønsket effekt) bare når molekylene er kirale. Sykloheksan, C6H12, kan finnes i båt- og stolform. Disse kalles konformere. Finn ut hva disse er.

4.5 Noen komplekse strukturer og former Zeolitter

b735_Ch-04.pmd

178

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

179

Zeolitter er aluminiumsilikater. De brukes til å tilberede mange viktige kjemikalier. Burene (store sirkulære hull) brukes til å utføre reaksjoner av bare de molekylene som kan rommes i merdene. Hem i hemoglobin

Ball og stokk modell

Plassfyllende modell

Hemoglobin har en kulestruktur. Det er løselig i vann. Hemoglobin er den røde bestanddel av blod. Både hem og klorofyll inneholder porfyrinkjernen der metallionet befinner seg. I hem er jern tilstede. I klorofyll er magnesium tilstede. Klorofyll er ansvarlig for den grønne fargen på bladene.

b735_Ch-04.pmd

179

23.06.2009, 18:49

180

Forstå kjemi

Sukker Monosakkarider

Glukose

Fruktose

Disakkarider

sukrose

Laktose

b735_Ch-04.pmd

180

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

181

Vitaminer

Vitamin A (Retinol)

Vitamin B2 (riboflavin)

Vitamin C (askorbinsyre)

4.6 Hydrogenbindingen Vi tror generelt at de sterkeste lykkes eller overlever best. Det er ikke alltid tilfelle. Dette gjelder i det minste for kjemiske bindinger. En av de svakeste bindingene, kjent som hydrogenbindingen, gjennomsyrer all materie og selve livet. Vann ville ikke vært vann uten hydrogenbindinger. Livets molekyler, proteiner og DNA, holdes sammen av hydrogenbindinger. Hva er da en hydrogenbinding?

b735_Ch-04.pmd

181

23.06.2009, 18:49

182

Forstå kjemi

Hydrogenbindinger dannes vanligvis mellom en OH-binding og et atom som kan tiltrekke seg hydrogenatomet - for eksempel et annet oksygenatom, et halogenatom eller et nitrogenatom. Dette er fordi i O H-bindingen har oksygenatomet en liten negativ ladning (δ-) og hydrogenatomet har en liten positiv ladning (δ+). Ethvert atom som har en svak negativ ladning tiltrekker seg det positivt ladede hydrogenatomet som vist nedenfor: O

Hδ+.

Oδ-

. .

H . . . O-binding er hydrogenbindingen og den er svak. Energien til en hydrogenbinding er rundt 3 kcal eller 12 kJ mol −1 sammenlignet med 60–100 kcal med vanlige enkeltbindinger. Hydrogenbindinger dannes av andre bindinger enn OH-bindingen. For eksempel kan en N H-binding også danne hydrogenbindinger med elektrontiltrekkende atomer som oksygen: N

. .

Generelt dannes hydrogenbindinger av en XH-binding (der X er et elektronegativt element som O, N, S, halogen) og et annet elektronegativt atom, Y. X

Hδ+.

. .

Yδ-

Typiske hydrogenbindinger er OH. . . Å, O H. . . N, O H. . . Cl, OH. . . S, N H. . . O, N H. . . S, SH. . . O og SH. . . S. I spesielle tilfeller danner selv en CH-binding en hydrogenbinding med et elektronegativt atom. Vann er det mest kjente eksemplet på hydrogenbinding.

b735_Ch-04.pmd

182

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

183

I vann tiltrekker oksygenatomet til ett H2O-molekyl (med en svak negativ ladning) protonet til et annet H2O-molekyl. Dette fortsetter og fortsetter, og gjør vann til en svært "assosiert" væske. Mange av de unike egenskapene til vann skyldes hydrogenbindingen. Vann har et høyt • kokepunkt (100°C eller 373 K). • overflatespenning. • fordampningsvarme. • fusjonsvarme. I is er hvert vannmolekyl hydrogenbundet til fire andre vannmolekyler.

vannmolekyl

Hydrogenbinding

— Oksygen

b735_Ch-04.pmd

183

— Hydrogen

23.06.2009, 18:49

184

Forstå kjemi

Ulike former for is, med ulike hydrogenbindingsmønstre og former er blitt laget i laboratoriet.

— Oksygen

— Hydrogen

Hydrogenbinding skjer i ammoniakk (med nitrogenatomet) og i hydrogenfluorid (med fluoratomet).

b735_Ch-04.pmd

184

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

185

4.7 Livsmolekyler La oss se på noen livsmolekyler der hydrogenbindinger spiller en stor rolle. Proteiner: Proteiner av ulik form er kjent. Noen er kuleformede og noen er fibrøse. De har forskjellige typer hydrogenbindinger.

b735_Ch-04.pmd

185

23.06.2009, 18:49

186

Forstå kjemi

Proteiner er viktige bestanddeler i livet. Proteiner utfører ulike funksjoner. Den grunnleggende bestanddel av proteiner er peptidbindingen. Disse bindingene dannes mellom aminosyrer.

Det er tjue aminosyrer i naturen. Noen av dem er vist nedenfor:

b735_Ch-04.pmd

Alanine

Glycin

Cystein

Fenylalanin

186

Valine

Proline

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

187

Peptidbindingene blir knyttet til hverandre ved hjelp av hydrogenbindinger.

Hydrogenbindingen gir former til proteiner.

b735_Ch-04.pmd

187

23.06.2009, 18:49

188

Forstå kjemi

Protein-polypeptidkjede

Asparaginsyre Alanin

Alanine

Fenylalanin Serin Lysin

Lysin

α-helix: Alfa-helixen er en av de viktige egenskapene til proteiner. Alfa-helixen ble oppdaget av Linus Pauling i 1951. Denne oppdagelsen markerer begynnelsen på molekylærbiologien.

b735_Ch-04.pmd

188

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

Kollagen er et protein som består av tre helikser. Det er en trippel helix. Det finnes i bein, negler og hår. Det har en fibrøs struktur og er et uløselig protein. Strukturen til kollagen ble bestemt av G. N. Ramachandran i Chennai.

b735_Ch-04.pmd

189

23.06.2009, 18:49

189

190

Forstå kjemi

Enzymer: Enzymer er proteiner, ansvarlige for ulike reaksjoner i biologiske systemer. Måten enzymer fungerer på er basert på formen deres. Enzymmolekyler har et hull eller en spalte.

Et underlag må ha riktig form for å passe inn i kløften for at reaksjonen skal skje. Hullet eller kløften i et enzym fungerer som låsen og substratet fungerer som nøkkelen.

Enzym

Substrat

b735_Ch-04.pmd

190

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

191

Legemidler: Virkningen av legemidler avhenger også av formen til legemiddelmolekylet samt stedet der det interagerer med et protein.

Aspirin Paracetamol Penicillin

DNA: Uten hydrogenbindinger kan vi ikke ha DNA. DNA er assosiert med den genetiske koden. DNA har visse nitrogenholdige baser kalt puriner og pyrimidiner. Purinene og pyrimidinene er knyttet til hverandre ved hjelp av hydrogenbindinger. Disse hydrogenbindingene er spesifikke og kan bare forekomme mellom spesifikke molekyler.

b735_Ch-04.pmd

191

23.06.2009, 18:49

192

Forstå kjemi

sukker sukker

Hydrogenbindinger Tymin (T) Adenin (A)

sukker sukker

Cytosin (C)

Guanin (G)

DNA består av en dobbel helix. Hydrogenbindinger er tilstede mellom heliksene.

b735_Ch-04.pmd

192

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

193

4.8 Menneskeskapte polymerer Polymerer er stoffer med høy molekylvekt. "Poly" betyr mange. Polymerer består av mange repeterende enheter. Det vil si at polymerer lages med utgangspunkt i monomerer som inneholder den repeterende enheten (leksjon 1). Etylen er H2C CH2. Polyetylen har repeterende—CH2—CH2—CH2—enheter. Proteiner og DNA er biologiske polymerer med bestemte former og strukturer. Det er mange menneskeskapte polymerer av forskjellige typer. Noen eksempler på menneskeskapte polymerer er gitt her.

— Oksygen

- Karbon

— Nitrogen

Repeterende enhet i nylon 6,6 To av de vanligste syntetiske polymerene er: polyetylen og polyvinylklorid (se leksjon 1 for andre).

b735_Ch-04.pmd

193

23.06.2009, 18:49

194

Forstå kjemi

Polyetylen eller polyeten n CH2

CH2

(

CH2

Polyvinylklorid eller PVC n CH2

CHCl

(

CH2

Cl Det er mange andre viktige polymerer. De kunstige fibrene som brukes til å lage tøy, for eksempel terylen eller dacron, er polyestere. De kunstige fibrene blander seg med naturlige fibre som bomull og ull. Noen av de menneskeskapte fibrene (f.eks. kevlar) er veldig sterke. Det finnes polymerer som kan lede elektrisitet. Det er noen polymerer som kan rulles til tynne plater (polyetylen), noen lages til mykt og fjærende pakkemateriale (polyuretan) og noen brukes som lim (polyvinylalkohol). Strukturer og former av polymerer bestemmer deres egenskaper. Noen kan støpes, noen trekkes til tråder og noen lages til ark.

b735_Ch-04.pmd

194

23.06.2009, 18:49

Strukturer og former for molekyler

195

Imidlertid er menneskeskapte polymerer generelt IKKE biologisk nedbrytbare.

b735_Ch-04.pmd

195

23.06.2009, 18:49

196

Forstå kjemi

Konklusjoner Vi har sett på strukturene og formene til molekyler og forsøkt å forstå dem ut fra de kjemiske bindingene i dem. Men det er så mange molekyler i naturen og mange flere laget av mennesker. De fleste av dem har komplekse strukturer som følge av intrikate bindingsmønstre. Selv virkningen av enzymer og legemidler avhenger av deres størrelse og form. Vi har også undersøkt hvordan hydrogenbindingen, en svak binding, holder molekyler og strukturer sammen. Hydrogenbindingen spiller en avgjørende rolle i livsprosesser. Størrelse er viktig! Størrelser og former på molekyler har en stor rolle i å bestemme deres kjemiske reaktivitet. Det er en vits om en fremtredende kjemiker som viste viktigheten av størrelsen (eller bulken) av grupper i organiske forbindelser. Han var så stor i størrelse at han ikke kunne sitte komfortabelt i en stol.

b735_Ch-04.pmd

196

23.06.2009, 18:49

KJEMISK ENERGI

b735_Ch-05.pmd

197

23.06.2009, 18:48

198

Forstå kjemi

Mål •

I denne leksjonen lærer vi noen få fremtredende aspekter ved energi – hvordan energi bevares og kan transformeres fra en form til en annen.

•

Kjemisk energi er en viktig form for energi. Og kjemiske transformasjoner er assosiert med energiendringer. Energi kan lagres.

•

Vi er avhengige av energien fra solen. Ettersom energiressurser, som petroleum, blir oppbrukt, må vi være avhengige av alternative energikilder. Vi undersøker noen av alternativene.

Energi er et av menneskets hovedbehov. Fremgangen til en nasjon måles ved mengden energi (for eksempel elektrisk energi) som forbrukes. I denne forbindelse er utviklingsland som India langt bak. Kjemisk energi er en viktig form for energi. Kjemiske reaksjoner er forbundet med energiendringer.

Smelting av jernmalm

Stearinlys brenner

En fakkel

Forbrenning av sukker

Dette er eksempler på kjemiske reaksjoner.

b735_Ch-05.pmd

198

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

199

Energi kan omdannes fra en form til en annen, for eksempel fra elektrisk energi til varme. Energi kan også lagres som i en battericelle. Men energi kan ikke skapes eller ødelegges.

5.1 Energiendringer i kjemiske reaksjoner Na + Cl C + O2 Cl2

NaCl CO2 Cl + Cl

I kjemiske reaksjoner dannes eller brytes bindinger. Å lage eller bryte bindinger resulterer i omorganisering av atomer. Denne prosessen innebærer en endring i energi. En reaksjon hvor varme gis ut er eksoterm.

Varme avgis når vannet fryser til is. En reaksjon der varme absorberes er endoterm.

b735_Ch-05.pmd

199

23.06.2009, 18:48

200

Forstå kjemi Varme absorberes når is smelter til vann.

Et vanlig eksempel på en eksoterm reaksjon er brenning av ved eller forbrenning. Å brenne noe gir varme. Tilsetning av vann til brent kalk eller tilsetning av svovelsyre til vann er andre eksempler.

Vanlige eksempler på endoterme reaksjoner er: en væske som blir til damp (vanndamp) og is som smelter til vann.

b735_Ch-05.pmd

200

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

201

Endringen i energi i en kjemisk reaksjon er vanligvis gitt av reaksjonsvarmen. Det er forskjellen mellom varmeinnholdet i reaktantene (H-reaktantene) og varmeinnholdet i produktene (H-produktene). Det kalles også entalpiforandring. Endringen i varmeinnholdet eller entalpiendringen i en reaksjon er representert som ∆ H. ∆H = Hprodukter − Hreaktanter Når Hprodukter er > Hreaktanter , er ∆ H positiv (endoterm). Når Hreaktanter er > Hprodukter, er ∆ H negativ (eksoterm). H2(g)+

½ O2(g)

H20(l); ∆H = −286 kJ

Merk at (g) og (l) står for henholdsvis gass og væske. Når en kjemisk binding dannes, avgis varme. Bindingsdannelse er derfor en eksoterm reaksjon. H2O (l)

H2(g)+

½ 02 (g);

∆H = +286 kJ

For å bryte en kjemisk binding, må energi tilføres. Å bryte en binding er en endoterm reaksjon. Avhengig av om reaksjonen innebærer å lage eller bryte bindinger, viser kjemiske reaksjoner frigjøring eller absorpsjon av energi (varme). Reaksjonsvarmer uttrykkes i kilokalorier (kcal) eller kilojoule (kJ). 1 kalori = 4.184 joule 1 kilokalori = 1 kcal = 1000 kalorier

b735_Ch-05.pmd

201

23.06.2009, 18:48

202

Forstå kjemi

Entalpiendringer av reaksjoner er vanligvis gitt for forhold når reaktantene og produktene er i såkalte standardtilstander. Eksempel: H2 (gass), H2O (væske). Standardtilstandene for stoffer tilsvarer de ved standardtemperatur (298 K eller 25°C) og trykk (1 atm eller 760 mm Hg). La oss se på noen få enkle kjemiske reaksjoner og bestemme om de er eksoterme eller endoterme. C (s) + O2 (g) H (g) +

H (g)

CO2 (g); ∆H = -393,5 kJ H2 (g); ∆H = −436 kJ

I begge reaksjonene dannes bindinger, og varme frigjøres. Derfor er de to ovennevnte reaksjonene eksoterme. Entalpiene til produktene i reaksjonene ovenfor er mindre enn entalpiene til reaktantene. La oss vurdere de to reaksjonene ovenfor i omvendt rekkefølge. H2 (g)

H (g) + H (g); ∆ H = 436 kJ

CO2 (g)

C (s) + 02 (g); ∆ H = 393,5 kJ

I disse reaksjonene brytes bånd. Derfor absorberes varme og reaksjonene er endoterme. Mengden energi som kreves for å danne eller bryte bindinger er ikke den samme for alle bindinger. Derfor vil det alltid være en viss energiendring når produkter dannes fra reaktanter. Varmen fra en reaksjon eller entalpiendringen i en kjemisk reaksjon kan måles i laboratoriet. Reaksjonsvarme kan brukes til å (a) forstå naturen til kjemiske reaksjoner og (b) forutsi dem.

b735_Ch-05.pmd

202

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

203

Avhengig av transformasjonens natur, er entalpiendringen eller reaksjonsvarmen beskrevet som vist nedenfor:

H2O (l) vann

H2O (g) damp

CH4 (g) + 2O2 (g) C (s) + O2 (g)

fordampningsvarme

CO2 (g) + 2H2O (l) CO2 (g) forbrenningsvarme

Merk at (s) representerer fast og (l) væske.

HCl (aq) + NaOH (aq)

NaCl (aq) + H2O (l) nøytraliseringsvarme

Merk at (aq) representerer vandig (løsning i vann)

H2O (s) is

H2O (l) vann

I2 (s) kamfer (s)

b735_Ch-05.pmd

fusjonsvarme

I2 (g) sublimasjonsvarme kamfer (damp)

203

23.06.2009, 18:48

204

Forstå kjemi

5.2 Energis natur Kjemisk energi er bare én form for energi. Energi kan være i form av elektrisk energi, lysenergi, mekanisk energi og så videre. Noen av de forskjellige energiformene er vist nedenfor.

Alle former for energi består av energien i systemet (potensiell energi) og energien som skyldes bevegelse (kinetisk energi). Potensiell energi endres til kinetisk energi når det er bevegelse. Energien til et system kan være intern energi eller ekstern energi. Den indre energien til et system kan endres. Den øker hvis den får energi eller hvis det jobbes med systemet. Den reduseres hvis den mister energi eller hvis systemet fungerer.

b735_Ch-05.pmd

204

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

205

Den indre energien til et atom er summen av kinetiske og potensielle energier. Den kinetiske energien til elektroner skyldes elektronenes bevegelse. Bindingsenergi er et eksempel på potensiell energi. Energi kan verken skapes eller ødelegges (loven om bevaring av energi). Den er alltid bevart. Energi kan bare omdannes fra en form til en annen som vist nedenfor.

b735_Ch-05.pmd

kjemisk

elektrisk

mekanisk

elektrisk

termisk

solenergi

elektrisk

termisk

vind

mekanisk

lys

kjernefysisk

elektrisk

termisk

mekanisk

elektrisk

205

23.06.2009, 18:48

206

Forstå kjemi

5.3 Reaksjonsvarme Vi kan skrive ligningen for dannelsen av H2O som følger: H2O (l) + 286 kJ H2 (g) + ½ O2 (g) 286 kJ energi frigjøres når det dannes ett mol vann. Dekomponeringen av en mol vann krever 286 kJ energi. H2O(l) + 286 kJ

H2 (g) + ½ O2 (g)

I reaksjonene ovenfor var en mol H2O involvert. Reaksjonene ovenfor for to mol H2O vil være: 2H2 (g)

+ O2 (g)

2H2O (l) + 572 kJ

2H2O (l) + 572 kJ 2H2 (g)

+ O2(g)

Det vil si at varmen som frigjøres eller absorberes i en kjemisk reaksjon avhenger av mengden av stoffer som er involvert i reaksjonen. 4H2 (g)

+ 2O2 (g)

4 H2O (l) + ? kJ

Ved nøytralisering av ett mol syre med ett mol alkali frigjøres 57 kJ energi, H+ (aq)

+ OH- (aq)

H2O (l) + 57 kJ

57 kJ energi er nøytraliseringsvarmen. Hvis 0,5 mol HCl nøytraliseres av 0,5 mol NaOH, vil varmeendringen være 28,5 kJ. 0,5H+ (aq) + 0,5 OH- (aq)

0,5 H2O + 28,5 kJ

Maten vi spiser i form av karbohydrater (ris, hvete etc.) brytes ned til glukose. Glukose oksideres til CO2 og H2O, og frigjør energi. C6H12O6 (s) + 6O2 (g)

6CO2(g) + 6H2O(g) + 2900 kJ

De 2900 kJ energien som frigjøres er forbrenningsvarmen.

b735_Ch-05.pmd

206

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

207

Forbrenningsvarmen av n-butan, C4H10, som finnes i kokegassflasker, er 2658 kJ. C4H10(g) + 6,5 O2(g)

4CO2(g) + 5H2O(g) + 2658 kJ

Husk at forbrenning (oksidasjon) alltid er eksoterm. En liten familie kan trenge rundt 25 000 kJ per dag. Dersom en sylinder inneholder ca. 12 kg butan, vil sylinderen vare i ca. 21 dager, forutsatt at ca. 30 % av gassen går til spille. Varmen som absorberes eller gis ut når en mol av et stoff dannes, kalles dannelsesvarmen. C(s) + O2 (g)

CO2 (g)

+ 393,5 kJ

Dannelsesvarmen av CO2 er -393,5 kJ. Dannelsesvarmen til H2O er -286 kJ. En kjemisk reaksjon kan finne sted i mer enn ett trinn. Varmeendringen (∆H) for den fullstendige reaksjonen er summen av ∆H-verdiene til de forskjellige trinnene. Reaksjonen C (s) + O2 (g)

CO2 (g); ∆H = −393,5 kJ

foregår i to trinn. Trinn 1: C (s) + ½ O2 (g)

CO (g); ∆H1 = −110,5 kJ

Trinn 2: CO (g) + ½ O2 (g)

CO2 (g); ∆H2 = −283,0 kJ

C(s) + O2 (g)

CO2 (g); ∆H = −393,5 kJ

Trinn 1 + Trinn 2, ∆H1 + ∆H2 = (−110,5 kJ) + (−283,0 kJ) = −393,5 kJ Reaksjonsvarme kan legges til eller trekkes fra på grunn av loven om bevaring av energi.

b735_Ch-05.pmd

207

23.06.2009, 18:48

208

Forstå kjemi

5.4 Energilagring Omdannelsen av energi fra en form til en annen driver ulike aktiviteter på jorden. Men når energi omdannes, blir en del av den ubrukelig. La oss vurdere konverteringen av den kinetiske energien til en elv til elektrisk energi. Under denne konverteringen blir en del av den totale energien ubrukelig. Energiendringen i kjemiske reaksjoner trenger ikke alltid vises som frigjøring eller absorpsjon av varme. Kjemisk energi frigjøres ofte som lys. (Husk ildfluer!) Kjemisk energi kan også lagres. Enkle elektrokjemiske enheter konverterer kjemisk energi til elektrisk energi. Drivstoff (kull, olje, tre) er en energikilde som er kjent for oss alle. Drivstoff omdannes lett til termisk energi, men når det ikke brukes, lagrer det energi. Batterier og brenselceller er lagre av kjemisk energi. Et batteri er en bærbar kilde til elektrisk energi. I en brenselcelle blir kjemikalier kontinuerlig brukt opp, i motsetning til i et batteri. La oss se på enkle batterier. De kan være primærceller (ikke-oppladbare) eller sekundære celler (oppladbare). Battericelle eller tørrcelle: Dette er en primærcelle og er ikke oppladbar. Den kan ikke gjenbrukes. (+)

Katode: En grafittstav omgitt av MnO2 og C

Elektrolytt: (pasta av NH4Cl, ZnCl2, MnO2 og vann)

(-)

b735_Ch-05.pmd

208

Anode: (sinkbeholder)

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

209

Reaksjonene i battericellen er som vist nedenfor: Zn2+ (aq) + 2e-

anode: Zn (s)

katode: 2MnO2(s) + 2NH4+(aq) + 2eDen totale reaksjonen er Zn (s) + 2MnO2 (s) +2NH4+ (aq)

Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(l) Zn2+ (aq) + Mn2O3(s) + 2NH3 (aq) + H2O (l)

Elektronene (e−) som frigjøres ved anoden går til katoden hvor de brukes opp. En slik lagringscelle genererer mellom 1,25 og 1,5 volt.

Bly-syrebatteri (sekundærcelle): I dette batteriet er en rekke celler koblet i serie. (-) (+)

Anode: blystaver Elektrolytt: Svovelsyre

b735_Ch-05.pmd

209

Katode: En plate av bly belagt med blyoksid

23.06.2009, 18:48

210

Forstå kjemi

Reaksjonene i bly-syrebatteriet er som vist nedenfor: anode: Pb(s) + SO42- (aq)

PbSO4 (s) + 2e-

katode: PbO2 (s) + 4H+ (aq) + SO42- (aq) + 2eDen totale reaksjonen er Pb(s) + PbO2 (s) + 4H+ (aq) +2SO42- (aq)

PbSO4(s) + 2H2O (l) utslipp

2PbSO4(s) +2H2O(l) ladning

Elektroner frigjøres ved anoden og forbrukes ved katoden. Ved å påføre en strøm fra en ekstern kilde kan dette batteriet lades. Denne prosessen reverserer reaksjonene ved elektrodene. Når den er fulladet, gir en blylagringscelle rundt 2V. Den relative tettheten (spesifikk vekt) av svovelsyre er 1,275 når cellen er ladet. Ved bruk (tømming) synker konsentrasjonen og den relative tettheten av svovelsyre. Bilbatteriet er et blybatteri med seks lagringsceller i serie. e-

+ -

Bilbatteri

b735_Ch-05.pmd

210

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

211

Hydrogen-oksygen brenselcelle: Dette er en primærcelle hvor reaktantene (hydrogen og oksygen) kontinuerlig erstattes etter hvert som de danner vann. Strøm produseres ved elektrokjemisk omdannelse av hydrogen og oksygen. Vannanode (-)

(+) Katode

Vandig elektrolytt O2

Reaksjonene i hydrogen-oksygen brenselcellen er som vist nedenfor: anode: 2H2 (g) + 4OH- (aq)

4H2O (l) + 4e4OH-

katode: O2 (g) + 2H2O (l) + 4eDen totale reaksjonen er 2H2 (g) + O2 (g)

2H2O (l)

Reaksjonen er forbrenning av hydrogen. En brenselcelle kan generere 12 kilowatt effekt på topp (7kW i gjennomsnitt). I stedet for hydrogen bruker noen brenselceller metylalkohol. Brenselceller brukes i ulike situasjoner.

b735_Ch-05.pmd

211

23.06.2009, 18:48

212

Forstå kjemi

5.5 Energi fra solen Av alle energiformer er det energien fra solen som driver de fleste aktiviteter på jorden. Den enorme mengden energi som frigjøres av solen i form av varmeenergi, skyldes kjernefysisk fusjon i kjernen. Siden solens fødsel for 5 milliarder år siden blir hydrogen omdannet til helium. Nok et eksempel på en kjemisk reaksjon!

Hvordan er solenergien som når jorden fordelt? 21,9 %

0,1 %

33 %

45 % 45 % brukes til å varme opp jordskorpen og vannet i havene. 33 % reflekteres tilbake til verdensrommet gjennom støvpartikler og skyer. Omtrent 21,9 % forbrukes i fordampningsprosessen i vannsyklusen. 0,1 % driver vind, bølger, havstrømmer og ut av dette brukes 0,03 % til fotosyntese.

b735_Ch-05.pmd

212

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

213

Denne minimale mengden energi fra solen er ansvarlig for livet på jorden. "Alt kjød er gress": Profeten Jesaja, 8. århundre f.Kr. Ved å bruke lysenergi fra solen (med klorofyll eller det "grønne blodet" som formidler av lysenergi), omdanner planter de inaktive uorganiske forbindelsene, CO2 og H2O, til en organisk forbindelse, glukose (C 6H 12O 6), ved hjelp av kjemisk transformasjon kalt fotosyntese. Fotosyntese er det motsatte av forbrenning og respirasjon og beskrives ved denne reaksjonen: 6CO2 + 6H2O + lysenergi

C6H12O6 + 6O2

Fotosyntesen er ansvarlig for både biomassen og drivstoffet. Å avdekke den eksakte mekanismen for denne konverteringen har nøkkelen til menneskets fremtidige behov for mat og energi.

Oksygen gis ut solenergi

Karbondioksid fra luften

Vann fra jorda

b735_Ch-05.pmd

213

23.06.2009, 18:48

214

Forstå kjemi

Solen er også ansvarlig for ulike former for lagret energi som vedenergi, biomasseenergi og matenergi.

b735_Ch-05.pmd

214

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

215

Matenergi kreves av alle levende vesener. Alle levende vesener bokstavelig talt spiser og drikker en større del av livet!

Energiverdien til noen matvarer — en veiledning for god mat Smør Peanøtter Ost Hvitt sukker Ris Hvitt brød Rå kylling Iskrem Egg Rå poteter Fisk Epler Appelsiner Øl Rå Grønnkål

b735_Ch-05.pmd

215

7,40 kcal/g 5,70 kcal/g 4,06 kcal/g 3,94 kcal/g 3,61 kcal/g 2,33 kcal/g 2,30 kcal/g 1,66 kcal/g 1,47 kcal/g 0,86 kcal/g 0,76 kcal/g 0,76 kcal/g/5 kcal. /g 0,31 kcal/g 0,22 kcal/g

23.06.2009, 18:48

216

Forstå kjemi

Hva skjer med energien vi bruker? Energi fra mat er avgjørende for de kjemiske endringene som skjer i systemet vårt hele tiden. Hvordan bruker vi energien fra maten? Energi er nødvendig for de metabolske endringene som finner sted i kroppen vår, for å holde kroppen varm og for fysiske aktiviteter.

Ikke all energien i maten brukes av kroppen vår. Av maten som ikke brukes av metabolske endringer i kroppen vår, går en del av den til spille og skilles ut (hos normale voksne er dette veldig lite). Overskuddsmat lagres som fett. Kontroller derfor enten spisingen din eller tren for å forbrenne overflødig energi fra maten du spiser. Et balansert kosthold er viktig for å unngå underernæring og for å gi den energien som kreves til ulike aktiviteter. Treenergi: Treenergi er faktisk lagret energi fra solen. Drivstoffenergi fra forbrenning av ved har vært kjent for mennesket fra antikken! Selv i dag lager ved eller kull flere måltider enn noen annen energikilde i India. Rundt 80 % av veden brukes som brensel i mange utviklingsland. Kull, petroleum og naturgass: Kull er en viktig kilde til drivstoff og energi. Det kalles også "begravet solskinn". La oss finne ut hvorfor?

b735_Ch-05.pmd

216

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

217

Solenergi lagret i planter som karbonforbindelser Myr Solenergi lagret i døde planter Leiresand D E P T H

Torv hentet fra komprimert død plante Leir Sand Torv (første trinn av kull) Leire

Kull, petroleum og naturgass er kilder som driver den moderne verden. Kull var energien som drev frem den industrielle revolusjonen. Imidlertid er det oppdagelsen av petroleum og teknologien for fraksjonert destillasjon som endret verdens industrielle scenario. Naturgass har fått stor betydning da den er lett å transportere og er en viktig råvare. Kull, petroleum og naturgass er også naturlige kilder til hydrokarboner. De er essensielle for gjødsel, kjemisk og farmasøytisk industri.

b735_Ch-05.pmd

217

23.06.2009, 18:48

218

Forstå kjemi

Kull er en kompleks blanding av stoffer. En "modell" struktur for kull er gitt nedenfor.

Petroleum består av gassformige hydrokarboner oppløst i olje. Gassene skilles fra oljen. Hydrokarboner som etan, propan, butan og pentan blir flytende. Etan brukes i petrokjemisk industri som råstoff. Blandingen av propan og butan (i flytende form i sylindere) selges som flytende petroleumsgass (LPG). Metan blir også flytende ved lave temperaturer til flytende naturgass (LNG). Metan er hovedbestanddelen i naturgass. Det har tatt millioner av år med kjemiske reaksjoner før disse energikildene ble dannet. Hvis vi fortsetter å bruke dem hensynsløst, fra år 2000, vil reservene vare omtrent til:

b735_Ch-05.pmd

218

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

219

kull

2060 A D bare kull?

naturgass petroleum 240 år

50 år

40 år

Råolje inneholder et stort antall hydrokarboner. Ved destillasjon separeres ulike fraksjoner i oljeraffinerier. Sammensetning av hydrokarboner C1–4

Raffinerigass

C5–12 C12–16 C15–18 C18+

Bensin parafindieselrester

Bruker gassformig drivstoff som brukes til å lage syntetisk gass (CO + H2) jetmotorer for bildrivstoff, motorer til matlaging etc., smøreolje til biler, voks, bitumen

5.6 Fremtidige alternativer Hva er så våre fremtidige alternativer? De mulige løsningene er: konvertering av biomasse og direkte utnyttelse og høsting av ikke-konvensjonelle energikilder.

b735_Ch-05.pmd

219

23.06.2009, 18:48

220

Forstå kjemi

Biokonvertering: Her konverterer vi et naturlig forekommende materiale til en kjemisk energikilde. Sukkerrør

etanol eller etylalkohol

Etanol + bensin

Bensin (bildrivstoff)

Brasil er den ledende brukeren av dette alternative bildrivstoffet. Rikdom fra avfall: Konvertering av organisk avfall til energi eller organisk gjødsel er et eksempel på å skape rikdom fra avfall. Etanolproduksjon fra sukkerrør, kassava, mais eller rødbeter bruker matvekster. Konvertering av bioavfall tilbyr derimot et alternativt middel for produksjon av energi. Dette kan gjøres ved å bruke en enkel koker.

gårdsavfall (planter + dyreavfall + vann) Røytetank

anaerob oksidasjon finner sted i kokeren for å produsere metangass.

Biogassanlegg metan, CH4

b735_Ch-05.pmd

220

fast rest (nitrogenrik)

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi kjemisk reaksjon i kokeren produserer

221

metangass + fast rest (CH4) (nitrogenrik)

dette kan brukes som gjødsel. Fordelene med biomassekonvertering er: •

den trenger bare enkel teknologi.

•

biogassanlegg kan enkelt settes opp.

•

råstoffet som kreves er avfallsmateriale.

•

tilstrekkelig energi kan produseres for både landlig og urban bruk.

Hydrogentreet: Mange typer hovent plantevev (galle) dannes i planter av insekter og bakterier. Galle forårsaket av rhizobium-bakterier i belgfrukter produserer hydrogen (som slipper ut i luften). Dette ga mennesket hint om å splitte vann ved å bruke fotoner for å produsere hydrogen som en energikilde. Cesare Marchetti arbeider i Østerrike designet det første hydrogentreet. Hydrogentreet skiller seg fra den naturlige prosessen på en betydelig måte. I hydrogentreet ledes det frigjorte hydrogenet til en sentral lagringstank.

b735_Ch-05.pmd

221

23.06.2009, 18:48

222

Forstå kjemi

fotoner CO2

CO2 + H2O (COH2) + O2 (COH2) står her for karbohydrat (glukose). (COH2) galle

H2O

(COH2) + H2O

CO2+

H2O

2H2 Hydrogen lagringstank

Direkte konvertering av energi fra ikke-konvensjonelle energikilder: Direkte konvertering av lys og varmeenergi fra solen gir en uuttømmelig energikilde. Energi fra solen kan omdannes til varmeenergi ved å bruke solcellepaneler. Den kan også omdannes til elektrisk energi ved å bruke solcelleceller. Cellene er laget av silisium. Denne typen solenergikonvertering har brede bruksområder. Solcelleceller kan gi strøm til avsidesliggende landsbyer for å pumpe vann eller for belysning i hjemmet. Solceller gir strøm til romfartøy.

b735_Ch-05.pmd

222

23.06.2009, 18:48

Kjemisk energi

223

Hydrogen anses å være en mulig kilde til ren energi. Problemet er å lage hydrogen billig. Ulike metoder for å skaffe hydrogen utforskes. En metode bruker sollys og elektrolyse. Det oppdages også bedre måter å lagre hydrogen på. Hvis vi kan klare å lage og lagre hydrogen til en lav kostnad, benytter vi oss av reaksjonen, 2H2 + O2

2H2O

å produsere energi. Vi kan da kjøre biler, produsere strøm og så videre, uten å forurense atmosfæren. Mens konvertering av biomasse og utnyttelse av energi direkte fra ikke-konvensjonelle kilder kan løse energikrisen til en viss grad, er uttømming av hydrokarboner i naturen fortsatt et stort problem. Det er nødvendig å identifisere nyere kilder til hydrokarboner. Den mest sannsynlige kilden er havbunnen. Det er nå kjent at millioner av tonn gasshydrat finnes på havbunnen (1 km eller under). Metangass under høyt trykk oppstår som gasshydrat på havbunnen. Hvis passende teknologi kan utvikles for å grave ut og utnytte disse reservene, kan hydrokarbonbehovet vårt løses i århundrer fremover.

Det antas at det er rike forekomster av gasshydrat nær den indiske kysten.

b735_Ch-05.pmd

223

23.06.2009, 18:48

224

Forstå kjemi

Konklusjoner Mennesker trenger energi til mange formål. Av de mange energiformene er kjemisk energi en viktig. Det er energiendringer i kjemiske reaksjoner og vi kan beregne og måle disse endringene. Energi kan lagres som i batterier og brenselceller. Mange energikilder som kull og petroleum er egentlig fra solen, og vi er mye avhengige av energien fra solen. Vi må utnytte solenergi mer, ettersom våre naturlige kilder til petroleum blir oppbrukt. Vi må se etter andre energikilder også. Gasshydratene i havbunnene utgjør en fremtidig kilde.

Lysere enn tusen soler! Kjernekraft er en viktig form for energi som brukes til mange formål, inkludert produksjon av elektrisk kraft. Det frigjøres betydelig energi når en atombombe eksploderer. Da den første atombomben ble testet, ble folk skremt over kraften. Robert Oppenheimer var i kontrollrommet. En passasje fra Bhagvad Gita blinket inn i tankene hans. "Hvis strålene fra tusen soler skulle bryte inn i himmelen, ville det være som den Mektiges prakt." Da de skumle og gigantiske skyene reiste seg, ble han minnet på enda en linje fra Gitaen. "Jeg er blitt Døden, verdens knuser." (fra Robert Jungk)

b735_Ch-05.pmd

224

23.06.2009, 18:48

KJEMISKE REAKSJONER

b735_Ch-06.pmd

225

24.06.2009, 14:29

226

Forstå kjemi

Mål •

I denne leksjonen skal vi prøve å forstå hvorfor og hvordan kjemiske reaksjoner oppstår og hvilke faktorer som påvirker dem.

•

Vi går deretter gjennom ulike typer reaksjoner, som inkluderer katalyse og lysinduserte reaksjoner.

•

En kombinasjon av kjemiske reaksjoner er nødvendig for å fremstille komplekse forbindelser. Kjemikere fortsetter å oppdage nye måter å sette sammen molekyler på. Den supramolekylære ruten gir en rik ressurs for nye molekylære systemer.

Kjemi er en studie av reaksjoner mellom stoffer. Det er derfor viktig å forstå naturen til kjemiske reaksjoner. Man kan lage nye stoffer ved å benytte seg av ulike kjemiske reaksjoner. Vi skal prøve å forstå hvordan reaksjoner kan assosieres med rater, og hvilke faktorer som påvirker ratene. Deretter kartlegger vi noen enkle typer reaksjoner og viser hvordan kjemikere innoverer nye strategier for å lage molekyler ved hjelp av katalysatorer og nye synteseruter.

6.1 Hvilke reaksjoner oppstår? Noen reaksjoner oppstår spontant. Vi kan forstå dette ved analogi med potensiell energi. Hvis vi lagrer vann i en demning på toppen av en ås, har det høy potensiell energi. Hvis det ikke fantes en demning, ville vann rennet ned.

b735_Ch-06.pmd

226

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

227

reaktanter

øke stabiliteten

øke kjemisk potensiell energi

Kjemiske reaksjoner oppstår spontant når den potensielle energien til produktene er lavere enn den potensielle energien til reaktantene.

av re ct i n

av sp er ta ne ou s

reaksjon

Produkter

Med andre ord, produktene må være mer stabile enn reaktantene. Man kan derfor si at når energi frigjøres i en kjemisk reaksjon, vil det være spontant. Dette er tilfellet med eksoterme reaksjoner. Dermed er forbrenning (brenning) en spontan reaksjon. Husk at forbrenning er forbundet med frigjøring av varme (energi).

b735_Ch-06.pmd

227

24.06.2009, 14:29

228

Forstå kjemi

Dette betyr ikke at endoterme reaksjoner ikke oppstår. Endoterme reaksjoner oppstår ved å gi den nødvendige energien til reaktantene. Selv om vi har nevnt at endringen i energi i en reaksjon er et mål på hvor lett reaksjonen kan skje, er situasjonen i virkeligheten litt mer kompleks. Man bruker konseptet fri energi, snarere enn potensiell energi, for å bestemme hvor lett kjemiske reaksjoner oppstår. Endringen i den frie energien til en reaksjon tar ikke bare hensyn til endringen i den potensielle energien som vi vurderte før, men også endringen i rekkefølgen i systemet. Vi vil ikke gå inn på detaljene her.

6.2 Kjemisk likevekt Vi brukte ordet likevekt når vi beskriver tilstander til stoffer i leksjon 1. I et kar som inneholder is og vann er is i likevekt med vann. Vi indikerer en slik likevektssituasjon med doble piler. H2O (s) fast

H2O (l) væske

H2O (l)

H2O (g)

væske

damp

På samme måte,

Vi vet at vann er i likevekt med sin damp. Vi lider når det er mye vanndamp i luften på en varm dag. De doble pilene er ment å vise at likevekten er dynamisk. Det vil si at både forover- og reversendringene skjer

b735_Ch-06.pmd

228

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

229

på samme tid og i samme takt. I H2O (l) H2O (g) er fordampningshastigheten lik kondensasjonshastigheten. Når overflødig salt eller sukker tilsettes vann, blir noe fast stoff igjen i bunnen av løsningen. Sukker- eller saltløsningen er da i likevekt med fast sukker eller salt. En slik løsning kalles en mettet løsning. Likevekt påvirkes av temperaturen. For eksempel, når temperaturen øker, vil det produseres mer damp fra vann, men ved en gitt temperatur er trykket av dampen over væsken konstant. Likevektssituasjoner er vanlige i kjemiske reaksjoner. Dette er fordi alle reaksjoner ikke fullføres. I stedet vil reaktanter være i likevekt med produktene. La oss se på noen eksempler. BiCl3 (aq) + H2O (l) klar løsning

BiOCl + 2HCl (aq) hvitt bunnfall

Hvis du tilsetter mer syre i det hvite bunnfallet, løses det opp og gir en klar løsning. Hvis du tilsetter mer vann til den klare løsningen, gir det det hvite bunnfallet igjen. Fe3+ (aq)

+ SCN- (aq)

(FeSCN)2+ (aq)

fargeløs

dyp rød farge

gul

Hvis du tilsetter en kaliumtiocyanatløsning (KSCN) til en jernnitratløsning, blir løsningen dyp rød. Til den røde løsningen, hvis du tilsetter litt mer kaliumtiocyanat eller jernnitratløsning, blir fargen mer intens. Dette viser at noen Fe3+ og SCN- fortsatt er tilstede på grunn av likevekten. Det vil si at Fe3+ og SCN-ioner ikke konverteres fullstendig til (FeSCN)2+ arten.

b735_Ch-06.pmd

229

24.06.2009, 14:29

230

Forstå kjemi

Fremstilling av brent kalk (CaO) ved oppvarming (900°C) kalsiumkarbonat eller kalkstein, CaCO3, er et godt eksempel på hvordan man utnytter likevektsreaksjoner for å tilberede kjemikalier i stor skala. CaCO3 (s)

CaO(s) + CO2 (g)

Hvis CaCO3 varmes opp i et lukket kar, vil CO2 som dannes presse reaksjonen bakover. For å omdanne all CaCO3 til CaO, er det nødvendig å fjerne CO2 etter hvert som det dannes. Dette gjøres i ovner ved å passere mye luft. Merk at sement lages ved å varme opp kalkstein med leire. Mange faktorer påvirker kjemiske reaksjoner. Disse er: konsentrasjonene av reaktantene og produktene (som vi har sett i eksemplene gitt tidligere), temperatur, trykk og katalysatorer. Hvis en reaksjon er i likevekt, og en av betingelsene endres, vil posisjonen til likevekten forskyves på en slik måte at effekten av endring motvirkes. La oss undersøke rollen til noen av faktorene ved å ta to eksempler. 2NO2 (g) brun farge

N2O4 (g) fargeløs

Reaksjonen fra venstre til høyre som skrevet er eksoterm fordi bindinger dannes. Fremre reaksjonen reduserer også antall mol gass (eller volum). Derfor favoriserer varme den omvendte reaksjonen og trykk favoriserer foroverreaksjonen. Dette er fordi, når varme tilføres, vil likevekt skifte i retningen som varme absorberes. Økende trykk vil forskyve likevekten til høyre, det vil si i retningen som motsetter trykkstigningen. Den industrielle metoden (Haber-prosessen) for ammoniakksyntese er en likevektsreaksjon.

b735_Ch-06.pmd

230

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner N2 (g)

3H2 (g)

231

2NH3 (g)

Fremreaksjonen er eksoterm og er assosiert med en reduksjon i antall mol (volum av gassen). Derfor vil høyt trykk og lav temperatur (500°C) favorisere dannelsen av ammoniakk. En katalysator brukes også i denne prosessen. Den største bruken av ammoniakk er å lage gjødsel som inneholder NH4NO3 og (NH4)2HPO4. Svovelsyre (H2SO4) fremstilles industrielt ved kontaktprosessen som involverer katalytisk oksidasjon av SO2 til SO3. 2SO2 (g)

+ O2 (g)

2SO3 (g)

Dette er en eksoterm prosess og en lavere temperatur (400°C) favoriserer reaksjonen. SO3 løses i vann for å oppnå H2SO4. Til å begynne med oppnås SO2 ved å brenne svovel eller oksidere (steke) mineraler som ZnS.

6.3 Reaksjonshastigheter Hvor rask eller langsom er en kjemisk reaksjon? Den samme reaksjonen kan skje med forskjellige hastigheter avhengig av forholdene. For eksempel brenner hydrogen raskt for å danne H2O når det er mye luft. Er det lite luft, brenner det ikke så fort.

Kan vi måle hastigheten på en reaksjon? La oss se på noen få enkle eksempler. I reaksjonen av kalsiumkarbonat (CaCO3) eller marmor med fortynnet syre, kan hastighetsendringen følges ved å måle volumet av karbondioksid med jevne mellomrom.

b735_Ch-06.pmd

231

24.06.2009, 14:29

232

Forstå kjemi

fortynnet saltsyre

vannmarmor (CaCO3)

bobler av karbondioksid

Plott mengden CO2 mot tid som følger:

Volum av CO2 /cm3

Tid/s Denne hastighetskurven viser endringen i mengden produkt som dannes over tid.

b735_Ch-06.pmd

232

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

233

La oss se på reaksjonen av magnesium med fortynnet syre.

hydrogen vann fortynnet saltsyre

magnesium bånd

Her måles hydrogengassen som utvikles i reaksjonen som funksjon av tid. Hastighetskurven for reaksjonen kan også gis i form av reduksjonen i HCl-konsentrasjon:

[HCl]/mol dm-3

Tid/s

b735_Ch-06.pmd

233

24.06.2009, 14:29

234

Forstå kjemi

Hastighetskurvene (konsentrasjon versus tid) er tilpasset ligninger for å klassifisere reaksjoner basert på hastighetsatferd. Generelt avhenger reaksjonshastigheten av konsentrasjonen av reaktantene som følger: Hastighet ∝ (konsentrasjon)n hastighet = konstant (konsentrasjon)n = kcn

eller

Her kalles n rekkefølgen av reaksjonen. Konstanten i ligningen kalles hastighetskonstanten eller hastighetskonstanten.

Vekst av kreftceller

Konsentrasjon/mg cm-3

Millioner av celler per cm3

Vekst av kreftceller avhenger av næringsnivåer, temperatur, pH osv. Veksthastigheten til kreftceller har blitt målt som en funksjon av glukose (næringsstoff) konsentrasjon. Cellene vokser når glukosekonsentrasjonen synker. Dataene oppnådd på rotter er vist i plottene nedenfor.

Tid/timer

Glukose

Tid/timer

For førti år siden kunne vi måle reaksjonshastigheten som skjedde på noen få sekunder. I dag kan vi måle hastigheten på veldig raske reaksjoner som oppstår i mikro (10−6), nano (10−9), pico (10−12) eller til og med femto (10−15) sekunder. For eksempel prisene på

b735_Ch-06.pmd

234

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

235

elektronoverføring i reaksjoner kan måles. Dermed vet vi med hvilken hastighet fotosyntesen finner sted i planter. Vår evne til å måle raske reaksjonshastigheter skyldes hovedsakelig bruken av lasere. Kan du forestille deg hvor kort et femto-sekund er! Beregn avstanden som lyset har tilbakelagt på et femtosekund.

En klokkereaksjon Det er noen reaksjoner hvis hastigheter kan tidsbestemmes nøyaktig. Slike reaksjoner kalles klokkereaksjoner. La oss se på en slik reaksjon: H2O2 (aq) + 2I- (aq) + 2H+(aq)

I2 + 2H2O (l)

Hvis en beregnet mengde natriumtiosulfat (Na2S2O3), (10 ml 0,04 M løsning) og 5 ml 1 % stivelsesløsning tilsettes til en reaksjonsblanding som inneholder H2O2 (3 % løsning, 25 ml), H2SO4 (25 ml, 2,5 M), reagerer jodet som produseres i reaksjonen med tiosulfationene. Denne reaksjonen fortsetter inntil alt tiosulfatet er forbrukt. I2 + 2S2O32- (aq)

S4O62- (aq) + 2I- (aq)

Eventuelt jod som dannes i reaksjonen reagerer senere med stivelsen og gir en blå farge til løsningen. Fargen vises på et fast tidspunkt (avhengig av konsentrasjonen av S2O32-). Jo større konsentrasjon av S2O32-, desto lengre tid tar det før den blå fargen vises.

6.4 Faktorer som påvirker reaksjonshastigheten Ulike faktorer påvirker reaksjonshastigheten. Disse er: temperatur, overflate og lys. I reaksjonen av magnesium (Mg) med en syre, hvis konsentrasjonen av syren endres, endres reaksjonshastigheten.

b735_Ch-06.pmd

235

24.06.2009, 14:29

236

Forstå kjemi

hydrogen vann fortynnet saltsyre

magnesium bånd

Hvis kolben varmes litt opp med en brenner, øker reaksjonshastigheten. Det vil si at temperaturen påvirker reaksjonshastigheten. Reaksjonshastigheten øker med økningen i temperaturen. Effekt av temperatur: Vi har beskrevet reaksjonen av kalsiumkarbonat (CaCO3) med fortynnet syre tidligere. Hvis vi varmer opp reagensrøret (som inneholder marmor og syre), kommer flere bobler ut som indikerer frigjøring av mer karbondioksid (CO2).

fortynnet HCl-marmor (CaCO3)

b735_Ch-06.pmd

vann

236

bobler av karbondioksid

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

237

Som en tommelfingerregel dobles reaksjonshastigheten for hver 10 graders temperaturøkning. Den nøyaktige relasjonen ble gitt av Arrhenius. Han viste at et plott av logaritmen til hastighetskonstanten mot inversen av temperaturen (log k versus 1/T) er en rett linje. Helningen til en slik linje gir energien til aktivering av reaksjonen. Effekten av temperatur på reaksjonshastigheten er noe vi ser i hverdagen. Vi oppbevarer maten i kjøleskapet for å redusere nedbrytningshastigheten. Under hjerteoperasjoner blir kroppen til pasienten avkjølt for å redusere hastigheten på biologiske reaksjoner.

Temperatur påvirker ikke bare reaksjonshastigheten, men kan til og med endre forløpet av en reaksjon. Se på følgende reaksjoner av NH4NO3. Ved 200°C,

NH4NO3 (s)

N2O (g) + 2H2O (g)

Ved høyere temperaturer, 2NH4NO3 (s)

2N2 (g) + O2 (g) + 4H2O (g)

Effekt av løsemiddel: Løsemidlet, som er mediet for å utføre en reaksjon, har stor effekt på reaksjonshastigheter. Det er viktig å innse at molekyler og ioner i en løsning er solvatisert (omgitt tett av løsemiddelmolekyler). Naturen til solvatisering endres med det oppløste stoffet og løsningsmidlet. For eksempel løses kationer i vann for å gi arter som Mn+ (H2O)m ,

b735_Ch-06.pmd

237

24.06.2009, 14:29

238

Forstå kjemi

f.eks. Na+(H2O)6. Løsningsmidler kan hydrogenbinde seg med oppløste molekyler eller oppløste stoffer kan påvirke hydrogenbindingen eller assosiasjonen av løsemiddelmolekyler. Effekt av overflateareal: Blant de andre faktorene som påvirker reaksjonshastigheten, er arealet av overflaten til et fast stoff viktig. For eksempel tar en sukkerbit lengre tid å løse seg opp i te eller kaffe enn granulert eller pulverisert sukker. Sukkerpulver har større overflate.

Effekt av lys: Lys påvirker noen kjemiske reaksjoner. For eksempel brytes sølvklorid (AgCl) og sølvbromid (AgBr) begge ned av lys. Dette er grunnlaget for fotografering. Man kan gjøre et enkelt eksperiment for å demonstrere lysets virkning. Tilsett saltsyre (HCl) til en sølvnitratløsning (AgNO3). Sølvklorid (AgCl) kommer ned som et hvitt bunnfall. AgNO3 (aq) + HCl (aq)

AgCl (s) + HNO3 (aq)

Fordel bunnfallet på et filterpapir. Dekk en del av den med en mynt. Utsett hele greia for sollys. Fjern mynten. Hva legger du merke til? Området som dekkes av mynten har den lyse fargen som sølvklorid. Det gjenværende området (ikke dekket av mynten) ville blitt svart. Dette er på grunn av de små sølvpartiklene som dannes ved nedbrytningen

b735_Ch-06.pmd

238

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

239

av sølvklorid ved lys. Lysinduserte reaksjoner kalles fotokjemiske reaksjoner.

Fotosyntese av blader (klorofyll) er en viktig fotokjemisk reaksjon. Reaksjonen er gitt ved: 6CO2 +

6H2O

lys

C6H12O6 + 6O2 glukose (stivelse)

Fotokjemisk smog: Dette er et eksempel på forurensning forårsaket av den kjemiske reaksjonen av primære forurensninger i nærvær av sollys. Fotokjemisk smog kan enten involvere bare nitrogendioksid (NO2), eller nitrogendioksid og hydrokarboner i atmosfæren. Nitrogendioksid brytes ned til nitrogenoksid (NO) og oksygenatom (O) i nærvær av ultrafiolett lys fra solen. ultrafiolett lys fra solen

NO2

NEI

+ O

De dermed dannede oksygenatomene kombineres med det atmosfæriske oksygenet og danner ozon (O 3). Mens ozon er gunstig i høyere lag av atmosfæren, er det skadelig i troposfæren (8–18 km) over jordens overflate. O (g)

b735_Ch-06.pmd

239

O2 (g)

O 3 (g)

24.06.2009, 14:29

240

Forstå kjemi

I fravær av hydrokarboner, over en periode, oksiderer ozon nitrogenoksid tilbake til nitrogendioksid. NO (g) + O3 (g)

NO2 (g) + O2 (g)

Fotokjemisk smog forårsaket av nitrogendioksid og hydrokarboner: Dette er forårsaket av de kombinerte effektene av primære forurensninger og er mer skadelig enn forurensningen forårsaket av hver forurensning som virker separat. Tilstedeværelsen av hydrokarboner forstyrrer den fotokjemiske nitrogendioksidsyklusen. Hydrokarboner reagerer kjemisk med oksygenatomene og ozonmolekylene for å produsere komplekse forurensninger. Primære forurensninger i atmosfæren (nitrogenoksid, nitrogendioksid, hydrokarboner)

kjemiske reaksjoner finner sted i nærvær av sollys

Fotokjemisk smog som inneholder sekundære forurensninger (ozon, aldehyder peroksyacetylnitrat)

Peroksyacetylnitrat er et fryktelig irriterende kjemikalie.

6.5 Hvordan oppstår reaksjoner Vi så tidligere at kjemiske reaksjoner avhenger av konsentrasjonen av reaktantene og temperatur. Dette kan forstås på grunnlag av kollisjonene mellom artene (molekyler, atomer, ioner etc.). Antallet eller hyppigheten av kollisjoner avhenger av konsentrasjonen og temperaturen.

b735_Ch-06.pmd

240

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

241

Det er nødvendig at de kolliderende artene er hensiktsmessig orientert i forhold til hverandre dersom kollisjonene må resultere i en reaksjon. Måten som de reagerende molekylene endres til produkter forstås ved å plotte den potensielle energien mot reaksjonskoordinaten. Reaksjonskoordinaten representerer endringen i det geometriske arrangementet av atomene i de reagerende molekylene tatt som en helhet, når reaktantene transformeres til produktene. Et geometrisk arrangement kalles konfigurasjon. Endringen fra reaktantarrangementet eller konfigurasjonen til produktkonfigurasjonen skjer gjennom en kritisk konfigurasjon kalt overgangstilstanden eller aktivert kompleks. Bare molekyler med tilstrekkelig energi kan oppnå denne kritiske konfigurasjonen. Når konfigurasjonen endres fra overgangstilstanden til produktenes, vil det være en reduksjon i potensiell energi. Dette er illustrert i figuren under. Aktivert kompleks (overgangstilstand)

Potensiell energi

Ea-reaktanter

∆H er negativ Produkter

Reaksjonskoordinat

Fra figuren ser vi at det aktiverte komplekset eller overgangstilstanden har høyere potensiell energi enn reaktantene eller produktene. Produktene har lavere potensiell energi enn reaktantene og reaksjonen er derfor

b735_Ch-06.pmd

241

24.06.2009, 14:29

242

Forstå kjemi

eksotermisk (se leksjon 5). Hvis reaksjonen er endoterm, vil den potensielle energien til produktene være høyere enn for reaktantene. Overgangstilstandsmodellen forklarer de ulike faktorene knyttet til kjemiske reaksjonshastigheter. Forskjellen mellom den potensielle energien til overgangstilstanden og den til reaktantene gir aktiveringsenergien, Ea. Størrelsen på Ea bestemmer hvordan temperaturen påvirker reaksjonshastigheten. Mange av de kjemiske reaksjonene involverer en rekke trinn. En sekvens av reaksjonstrinn kalles reaksjonsmekanisme. En mekanisme må være i samsvar med reaksjonshastighetsdata og om arten til de kortlivede artene som kan dannes under reaksjonen. De kortlivede artene kalles reaksjonsmellomprodukter. Vi skal beskrive noen av dem. Frie radikaler: Et atom eller en gruppe atomer som har et merkelig elektron (udelt elektron) kalles et fri radikal. Frie radikaler dannes ved å bryte kovalente bindinger.

H H

C H

I reaksjonen ovenfor produseres frie metylradikaler. Vi representerer det odde elektronet i et fritt radikal med en prikk. Andre eksempler er: H2O2 Cl2

TIL +

TIL

Karboniumioner: Dette er positivt ladede ioner som produseres når en binding brytes på en slik måte at den ene delen beholder begge elektronene som er involvert i å danne bindingen.

b735_Ch-06.pmd

242

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

R-

243

C+

Karboniumion Karbanioner: Dette er negativt ladede ioner produsert på følgende måte: C

R+

C-

Karbanionreagenser klassifiseres også avhengig av om de angriper elektronrike sentre eller elektronmangelsentre. Elektrofiler er reagenser som angriper elektronrike sentre (f.eks. H+, Br+, NO2+, R3C+, BF3+). Nukleofiler er reagenser som angriper elektronmangelfulle sentre (f.eks. H-, OH-, Br-, RNH2).

6.6 Noen reaksjoner Hundrevis av reaksjoner er kjent i dag. Man bruker en kombinasjon av reaksjoner for å lage nye forbindelser. Her skal vi se på noen av de enkleste reaksjonene. Substitusjonsreaksjoner: CH4 + Cl2 metan + klor C6H6 benzen

Br2

+ brom

CH3Cl metylklorid

+ +

C6H5Br

brombenzen

HCl hydrogenklorid HBr hydrogenbromid

Her erstatter et halogenatom (Cl, Br) et hydrogenatom.

b735_Ch-06.pmd

243

24.06.2009, 14:29

244

Forstå kjemi

Tilsetningsreaksjoner: C6H6 benzen

+ 3H2 + klor

C6H12 Sykloheksan

C6H6 + 3Cl2-benzen + klor

C6H6Cl6 Heksaklorcykloheksan (gammaxen)

C2H4-eten

+ H2 + hydrogen

C2H6 etan

C2H4-eten

+ +

C2H4Br2 dibrometan

Br2-brom

Når hydrogen eller brom tilsettes til eten (etylen), blir dobbeltbindingen mettet og vi får et mettet hydrokarbon (alkan) eller dets derivat. Vi ser umiddelbart hvorfor alkener avfarger bromvann (brunt). Brom legger til dobbeltbindinger. Utvekslingsreaksjoner: KBr

kaliumbromid

NaCl

KCl

+ NaBr

natriumklorid

kaliumklorid

natriumbromid

Her har Cl og Br byttet plass. H2O+

D2 O tungtvann

2HOD

Her har de to isotopene (H og D) byttet plass.

b735_Ch-06.pmd

244

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

245

Hydrolyse: Ved hydrolyse reagerer stoffer med H2O eller hydroksylioner (OH-). FeCl3 jern(III)klorid

3H2O vann

Fe(OH)3 + HCl jern(III)hydroksid hydrogen(utfelling)klorid

C2H5Br + NaOH etylnatriumbromidhydroksyd

C2H5OH etanol

NaBr natriumbromid

Enkle oksidasjoner: Mg + ½ O2 magnesium oksygen 4Fe jern

3O2 oksygen

CH4 metan

2O2 oksygen

MgO magnesiumoksid 2Fe2O3 jernoksidforbrenning

katalysator

(CH3)2CHOH

CO2 + 2H2O karbonvanndioksid (CH3)2C = O

500°C

isopropylalkohol

aceton

C2H5OH

gjæring

+ H2 hydrogen

CH3COOH

etanol eddiksyre (eddik) Tilsetning av oksygen til et stoff er en oksidasjonsreaksjon. Husk korrosjon av jern er en oksidasjonsreaksjon. Fjerning av hydrogen er også en oksidasjonsreaksjon. MgH2

b735_Ch-06.pmd

varme

245

24.06.2009, 14:29

246

Forstå kjemi

Enkle reduksjoner: Na

½ H2

natrium

NaH

hydrogen

natriumhydrid

+ 3H2N2 nitrogen hydrogen C2H4

eten C6H6

C2H6

hydrogen

etan

3H2

C6H12

benzen

2NH3 ammoniakk

hydrogen

cykloheksan

Tilsetning av hydrogen til et stoff er en reduksjonsreaksjon. Fjerning av oksygen er også en reduksjonsreaksjon. H2O2

H2O

½ O2

Nedbrytingsreaksjoner: Noen stoffer brytes ned for å gi enklere stoffer. CaCO3 (s)

varme

CaO(er)

CO2 (g)

Ag(er)

½ O2(g)

H2O2 (l)

H2O (l)

½ O2 (g)

N2O4 (g)

2NO2 (g)

Ag2O (s)

varme

Dehydreringsreaksjoner: varme

CuSO4. 5H2O

varme

C2H5OH

Al2O3

etyl alkohol

CuSO4

+ 5H2O

C2H4

+ H2O

eten

Dehydrering er en nedbrytningsreaksjon. Dehydrering innebærer fjerning av vann fra et stoff.

b735_Ch-06.pmd

246

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

247

Kjedereaksjoner: En kjedereaksjon er en der de oppnådde produktene først deltar igjen i en annen reaksjon for å gi et annet produkt. Slike reaksjoner skjer vanligvis raskt og kan være eksplosive. Kjedereaksjoner oppstår ved forbrenning og i reaksjoner initiert av lys (fotokjemiske reaksjoner). Reaksjon mellom hydrogen og klor i nærvær av sollys er et velkjent eksempel. I denne reaksjonen er sollyset initiatoren. Reaksjonen foregår i tre trinn - initiering, forplantning og avslutning. Starttrinn:

Cl2

Forplantningstrinn:

Oppsigelsestrinn:

+ Cl

Cl + H2

HCl+

H + Cl2

HCl+

H +H Cl + Cl

H2Cl2

H + Cl

HCl

Noen kjemiske transformasjoner: La oss først se på reaksjonene til en enkel organisk syre, eddiksyre, H3C COOH.

natriumacetat eddiksyreanhydrid

acetylklorid

b735_Ch-06.pmd

acetamid

247

acetonitril

24.06.2009, 14:29

248

Forstå kjemi

etylacetat I listen nedenfor er ulike reaksjoner av benzen gitt. Noen er substitusjonsreaksjoner og andre er addisjonsreaksjoner.

Kons. HNO3/H2SO4

NITRASJON

Br2/FeBr3

BROMERING

Kons. H2SO4

SULFONERING

CH3Cl/AlCl3

METYLERING CH3COOCl/ AlCl3

b735_Ch-06.pmd

ACETYLERING

3H2

HYDROGENERING (reduksjon)

3Cl2

KLORINERING

248

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

249

Polymerisering: En reaksjon der en polymer dannes fra en eller flere typer monomer (små molekyler) kalles polymerisering. Det finnes forskjellige typer polymerisering. Ved kjedevekstpolymerisasjon tilsettes monomerer suksessivt til en voksende polymerkjede (akkurat som å tre perler på en streng). Denne typen polymerisasjon krever en initiator, vanligvis et fritt radikal.

Frie radikaler

Monomer

fortsetter og fortsetter. Dette er en kjedereaksjon. Polyetylen (fra etylen), polypropylen (fra propylen), polyvinylklorid (fra vinylklorid), polystyren (fra styren), polyakrylnitril (fra akrylnitril) og polymetylmetakrylat er alle dannet av kjedevekstprosessen. Polymerisering skjer ved trinnvis vekst i polyestere.

tereftalsyre

etylenglykol

Terylene (eller dacron)

b735_Ch-06.pmd

249

24.06.2009, 14:29

250

Forstå kjemi

Her reagerer en syregruppe av en monomer med alkoholgruppen på den andre monomeren for å danne en ester. Kjeden som dannes på denne måten har syre- og OH-gruppen i endene, og reaksjonen fortsetter. H2O elimineres i reaksjonen. Polyuretan og nylon dannes også ved trinnvekst.

isocyanat

polyuretan

Silikoner er uorganiske polymerer. De dannes ved polymerisering av silanoler. (H2O er eliminert).

R Silikoner som inneholder ( O-harpikser og gummier.

)n enheter danner oljer, fett,

6.7 Redoksreaksjoner (reduksjon-oksidasjonsreaksjoner) Vi har tidligere gitt eksempler på enkle oksidasjonsreaksjoner. Disse eksemplene var tilsetning av oksygen eller fjerning av hydrogen. Vi ga også eksempler på reduksjonsreaksjoner. I disse reaksjonene ble oksygen fjernet fra et stoff eller hydrogen ble tilsatt.

b735_Ch-06.pmd

250

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

251

En bedre definisjon av oksidasjon og reduksjon er basert på prosessen med elektronoverføring som skjer i en reaksjon. Redoksreaksjoner er de der elektroner overføres fra en reaktant til en annen. Reaktanten som elektroner fjernes eller går tapt fra, blir oksidert. Oksidasjon innebærer tap av elektroner fra et stoff. Reduksjon er forsterkningen av elektroner av et stoff. Stoffet som tar imot elektroner blir redusert. Oksidasjons- og reduksjonsreaksjoner forekommer samtidig. En reaktant blir oksidert og en annen reduseres. La oss vurdere noen få eksempler. Mg (s) + Cl2 (g)

MgCl2

Her blir Mg oksidert til Mg2+ og Cl2 blir redusert 2Cl-. Zn (s) + Cu2+ (aq)

Zn2+ (aq) + Cu (s)

Her oksideres Zn til Zn2+ og Cu 2+ reduseres til Cu. Identifiser hvilken reaktant som er oksidert (og hvilken som reduseres) og til hva, i følgende reaksjoner: 2Mg

Ag2O Fe NiO

2MgO2Ag+

+ +

S H2

½ O2 FeS Ni + H2O

Husk at ved fremstilling av klor oksideres Cl2, kloridion, Cl-. Luftforurensning sverter hvitt bly (blymaling, blykarbonat). Dette skyldes at reaksjonen av H2S i atmosfæren konverterer PbCO3 til svart PbS.

b735_Ch-06.pmd

251

24.06.2009, 14:29

252

Forstå kjemi PbCO3

+ H2S

PbS + CO2 + H2O

Behandling med hydrogenperoksid, konverterer PbS til PbSO4. PbS

+ 4H2O2

PbS04 + 4H2O

(Identifiser de oksiderte og reduserte artene i reaksjonene ovenfor.) La oss lage en enkel celle som inneholder en sinkstav dyppet i en løsning som inneholder et sinksalt (Zn+ ioner) og en kobberstav dyppet i en løsning som inneholder et kobbersalt (Cu2+) ioner) som følger: Hvis vi kobler de to metallstavene med en ledning og får kontakt mellom løsningene, vil strøm flyte på grunn av redoksreaksjonen. Strimmel med filterpapir dynket i KNO3 som gir kontakt mellom løsningene.

Strømmåler

Zn rhod

Med frukt

ZnSO4-løsning

CuSO4-løsning

Reaksjonene her er: Oksidasjon: Zn (s) Reduksjon: Cu 2+ + 2e-

b735_Ch-06.pmd

252

Zn 2+ (aq) + 2e-, ved anoden. Cu (s), ved katoden.

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

253

Na+ (aq)

K (s)

−2,92

Av (s)

−2,71

Zn (aq)+

Zn (s)

−0,76

2H+ (aq)

2e-

H2 (g)

−0,00

Med (aq) +

Med S)

+0,34

Ag+ (aq)

Ag(er)

+0,80

Br2 (l)

2e-

2Br-(aq)

+1,07

for reduksjon

K+ (aq)

Økende tendens

Hvor lett grunnstoffer kan oksideres eller reduseres er beskrevet av den såkalte aktivitetsserien. Denne serien er gitt i form av redokspotensialene. Vi skal bruke disse potensialene uten å gå i detaljer om hvordan de oppnås. Jo mer positivt potensialet er, desto mer sannsynlig er det for reduksjon. Jo mindre positivt, eller mer negativt, jo mer sannsynlig er det at oksidasjon skjer. Vi viser nedenfor noen potensialer (i volt):

Dette er potensialer for reduksjonsreaksjoner. Potensialene for de motsatte reaksjonene (oksidasjon) vil ha samme verdier, men med motsatte fortegn. Det er lett for brom (Br2) å bli bromid (Br-) ioner (potensial 1,07 volt), men det motsatte er vanskelig (potensial -1,07 volt). Det er vanskelig for Na+ å bli Na (potensial −2,71 volt), men det er lett for Na å bli Na+ (potensial +2,71 volt). Ved å bruke redokspotensialene kan vi forstå hvorfor Cu2+ + Zn gir Cu + Zn2+. Når ulike metaller er oppført i aktivitetsserien som ovenfor, kalles det også den elektrokjemiske serien. Denne serien gir rekkefølgen på reaktiviteten til metaller. I listen ovenfor har vi K, Na, Zn og Cu. Dette betyr at K og Na er mer reaktive og elektropositive enn Zn, og Zn er mer reaktive og elektropositive enn Cu. Edelmetallene sølv og gull kommer etter Cu. De er minst elektropositive og minst reaktive.

b735_Ch-06.pmd

253

24.06.2009, 14:29

254

Forstå kjemi

Oksydasjonstilstanden (eller reduksjonen) til et grunnstoff er beskrevet av oksidasjonstallet. Det er litt som valensen som vi leser i leksjon 1. Oksidasjonstall er ladningen tilordnet et atom eller et ion. Oksidasjonstall er +1 for H, Na og K. Oksidatall er +2 for Ca, Mg og Zn. Oksidasjonstall er +3 for Al. Oksidasjonstallet er −1 for Cl og Br (i deres forbindelser). Oksidasjonstallet er −2 for O (i dets forbindelser). Oksidasjonstallet for elementene (f.eks. H2, Br2, O2, Cl2) er null. Noen grunnstoffer som Fe kan ha mer enn ett oksidasjonsnummer. For eksempel Fe203, FeCl3 (+3); FeO, FeCl2 (+2). Ved å bruke de ovennevnte verdiene for oksidasjonstall, kan vi beregne oksidasjonstallet til forskjellige elementer som er tilstede i forbindelser og ioner. CO2: O har oksidasjonstall på −2. Derfor har 2 O oksidasjonstallet −2 × 2 = −4. Siden CO2 er nøytral, er oksidasjonstallet for C i CO2 +4. SO42- : O har oksidasjonstall på −2. Derfor har 4 O oksidasjonstallet −2 × 4 = −8. SO42- har en ladning på -2. Derfor har S i SO4 oksidasjonstallet +6. Sjekk følgende: Oksidasjonstall for Cl i ClO4- er +7. Oksidasjonstall av Cr i Cr2O72- er +6. Oksidasjonstall av Mn i Mn3O4 er +8/3.

b735_Ch-06.pmd

254

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

255

H har et oksidasjonstall på +1 i HCl og H2O. Oksydasjonstallet til H i NaH er −1! Legg merke til at summen av oksidasjonstallene til alle grunnstoffene i en forbindelse alltid kommer til null. For eksempel CO2 (C = +4; 2 O = -4), Fe2O3 (2 Fe = 2 × +3 = +6, 3 O = −6) Fine fargeendringer oppstår når noen av ionene blir oksidert eller redusert. Slike fargeendringer brukes til tester og titreringer (estimeringer). FeSO4-holdige Fe2+-ioner vil avfarge surgjort KMnO4 (kaliumpermanganat). Fe2+ i FeSO4 blir oksidert til Fe3+; Mn7+ i MnO4- reduseres til Mn2+. Når kaliumdikromat (K 2Cr 2O7) reduseres, blir den oransje fargen grønn fordi Cr6+ reduseres til Cr3+. Et enkelt eksempel på en oksidasjonsreaksjon er oksidasjon av jodidion (I-) til jod ved tilsetning av hydrogenperoksid (H2O2) i sur løsning. H2O2 (aq) + 2H+ (aq) + 2I- (aq)

2H2O (1) + I2

Oksidasjonstall kan brukes til å balansere komplekse redoksligninger som den nedenfor: 5Fe2+ (aq) + 8H+ (aq) + MnO4- (aq) 5Fe3+ (aq) + Mn2+ (aq) + 4H2O (l)

b735_Ch-06.pmd

255

24.06.2009, 14:29

256

Forstå kjemi

6.8 Katalyse Katalyse er en prosess der et stoff øker hastigheten på en reaksjon uten å bli konsumert. Hvis du husker, i fremstillingen av oksygen, brukes mangandioksid (MnO2) som katalysator. MnO2

2H2O2 (aq)

2H2O (l) + O2 (g)

Virkningen til en katalysator er spesifikk. En katalysator som øker hastigheten på en kjemisk reaksjon, gjør det kanskje ikke når det gjelder en annen. Det motsatte av en katalysator er en inhibitor, som bremser hastigheten på en reaksjon. Nedbrytningen av H2O2 som gir O2, hemmes av fortynnede syrer. To typer katalyse kan skilles: Homogen og heterogen katalyse. Ved homogen katalyse er katalysatoren og reaktantene i samme tilstand eller fase. Ved heterogen katalyse er katalysatoren og reaktantene i forskjellige faser. Katalysatoren kan være et fast stoff og reaktantene kan være gasser. Millioner tonn kjemikalier lages over hele verden ved katalytiske reaksjoner. Petrokjemikalier, gjødsel og en hel rekke andre kjemikalier produseres på denne måten. Ulike reaksjoner krever forskjellige katalysatorer. Katalysatordesign er derfor et avgjørende aspekt av kjemi, og katalysatorer utgjør en viktig klasse av materialer. Eksempler på homogen katalyse: Hydrolysen av en organisk ester for å gi en syre katalyseres av en syre. CH3COOC2H5 + H2O

b735_Ch-06.pmd

256

H+ (syre)

CH3COOH + C2H5OH

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

257

Dekomponering av H2O2 til H2O og O2 katalyseres av jodidioner. I (aq) H2O2 (aq) H2 O + ½ O 2 Heterogen katalyse: Heterogen katalyse brukes mye for fremstilling av viktige kjemikalier. For å forstå den viktige rollen til katalysatorer, skal vi se på reaksjonen mellom ammoniakk og oksygen. I fravær av en katalysator, 4NH3 (g) + 3O2 (g)

2N2 (g) + 6H2O (g)

I nærvær av en katalysator (varm platinatråd), 4NH3 (g) + 5O2 (g)

4NO (g) + 6H2O (g)

Nitrogenoksid (NO) oksideres til NO2 med oksygen og NO2 reageres med vann for å få HNO3. Ved oksidasjon av SO2 til SO3 ved fremstilling av svovelsyre (ved kontaktprosessen) bruker vi en platinakatalysator. Vi kan gjøre et enkelt eksperiment i laboratoriet som vist nedenfor.

Svoveldioksid Oksygen

Konsentrert svovelsyre (for å tørke gasser og kontrollere strømningshastigheten)

b735_Ch-06.pmd

Vannfritt kalsiumklorid (for å holde fuktighet ute)

Platinisert asbest (katalysator)

257

Svak varme

Is og vann (for å kondensere svoveltrioksidet)

Svoveltrioksidkrystaller

24.06.2009, 14:29

258

Forstå kjemi

Katalytisk cracking er en viktig reaksjon i petrokjemisk industri. I denne prosessen føres olje som inneholder store hydrokarboner (alkaner) over en katalysator (Al2O3 blandet med SiO2 eller Cr2O3) rundt 450°C for å oppnå mindre hydrokarboner, inkludert alkener. Vi kan demonstrere denne reaksjonen med et enkelt apparat vist nedenfor. Dannelsen av alkener testes ved å riste med bromvann. Glassull dynket i parafin Aluminiumoksid Alkener

Varme

Vann

I Fischer-Tropsch-prosessen føres en blanding av CO og H2 over jern- eller koboltholdige katalysatorer ved høye trykk og temperaturer for å produsere hydrokarboner. Metylalkohol (metanol) fremstilles ved å føre en blanding av CO og H2 over en katalysator (Cu/ZnO) ved relativt høye trykk ved 300°C. Margarin og andre typer fast spiselig fett produseres ved hydrogenering av vegetabilske oljer (f.eks. jordnøttolje) i nærvær av en nikkelkatalysator. I denne reaksjonen blir dobbeltbindingene som er tilstede i oljen mettet eller hydrogenert.

b735_Ch-06.pmd

258

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

259

Industriell produksjon av ammoniakk ved Haber-prosessen er et fremragende eksempel på heterogen katalyse. Trinnene som er involvert er som følger: CH4 (g)

+ H2O (g)

naturgass

damp

CO(g)

+ H2O (g)

Ni katalysator

Fe3O4 / Cu

CO (g) + 3H2 (g)

CO2 (g)

+ H2 (g)

damp CO2 fjernes. Det således oppnådde hydrogenet omsettes med nitrogen: N2 (g) + 3H2 (g)

Fe katalysator

2NH3 (g)

Reaksjonen utføres ved 400°C og ved høye trykk. Millioner av tonn gjødsel i verden lages fortsatt av denne prosessen. Naturen fikserer derimot nitrogen i atmosfæren ved å omdanne det til ammoniakk ved å gjøre bruk av et enzym (nitrogenase) under vanlige forhold. En slik konvertering utføres av visse Rhizobium-organismer som er tilstede i rotknuter av belgfruktarter. Nitrogenase har et aktivt senter som inneholder molybden-, jern- og svovelatomer. Katalysator: Biler og lastebiler avgir avgasser som forurenser atmosfæren og er helsefarlige. Katalysatorer brukes i kjøretøy for å omdanne skadelige hydrokarboner og karbonmonoksid, som finnes i eksosgassene, til karbondioksid og vann. Katalysatorene som brukes her er generelt edelmetaller og/og metalloksider.

b735_Ch-06.pmd

259

24.06.2009, 14:29

260

Forstå kjemi

Hydrokarboner CO og O2 i eksosgass fra motor H2O og CO2

Metallskall

Støtte for netting

"Honeycomb" av små perler belagt med platina- og palladiumkatalysatorer

Katalysatoren består av en "bikekake" av små kuler belagt med katalysatorer (vanligvis platina- og palladiumkatalysatorer). Dette er plassert inne i et metallisk skall og holdes på plass av en trådnettstøtte. Kjøretøyer utstyrt med katalysatorer bruker kun blyfri (blyfri) bensin. Kan du tenke deg årsaken? Nitrogenoksider kan reduseres til nitrogen ved hjelp av katalysatorer. Zeolitter som katalysatorer: Vi hadde møtt zeolitter i en tidligere leksjon. Zeolitter er aluminiumsilikater som inneholder aluminium, silisium og oksygen. De inneholder bur der molekyler reagerer. Det fine med disse burene er at det kun er plass til molekyler med en viss form og størrelse. Et godt eksempel på en reaksjon utført i zeolitter er omdannelsen av metylalkohol (metanol) til parafin.

b735_Ch-06.pmd

260

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

261

Biologiske katalysatorer: Enzymer er biologiske katalysatorer. Enzymer styrer biokjemiske reaksjoner i levende systemer. Gjær er en vanlig kilde til enzymer som vi bruker til ulike prosesser. Enzymer spiller en viktig rolle i mange industrielle prosesser. I figuren nedenfor viser vi den enkelte underenheten av nitrogenase som fikserer nitrogen i atmosfæren for å lage ammoniakk. Den inneholder Fe Mo S-klyngen. Fe Mo S-klynge (Fe 7; Mo 1; S 8) Mo

Homositrat

Fe S cluster (Fe 8 S 8) Enzymer har følgende egenskaper. Molekylmassen til enzymer varierer fra 105 til 107. Enzymer er spesifikke. Det vil si at et spesifikt enzym vil fungere som en katalysator i en spesifikk reaksjon. Enzymet lipase katalyserer hydrolysen av estere, mens enzymet urease katalyserer hydrolysen av urea.

b735_Ch-06.pmd

261

24.06.2009, 14:29

262

Forstå kjemi

Den katalytiske virkningen av enzymer er mest effektiv ved 37°C. Enzymer blir ødelagt hvis temperaturen stiger over 50°C–60°C. Gifter påvirker enzymvirkningen. Etanol ødelegger enzymer i gjær hvis etanolkonsentrasjonen er mer enn 15,5 % (for eksempel i gjæringsprosessen). Dette er grunnen til at vin tilberedt ved gjæring ikke kan ha høyere alkoholinnhold enn 15,5 %.

Reaksjonshastighet 0

37 40

Temperatur /°C Ulike enzymer i menneskets fordøyelsessystem er ansvarlige for å bryte ned karbohydrater, proteiner og fett til enklere stoffer som kan tas opp av kroppen. De er amylase i spytt, pepsin og trypsin i magesekken og amylase, maltase, pepsin, trypsin, peptidaser og lipase i tynntarmen. Papain er et enzym som finnes i papaya. Den har utmerkede fordøyelsesegenskaper og brukes til å tilberede fordøyelsesmidler og som kjøttmørning. Enzymmangel så vel som overskudd forårsaker sykdommer. Fenylalaninhydroksylase-mangel forårsaker fenylketonuri.

b735_Ch-06.pmd

262

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

263

I denne medfødte sykdommen samles skadelige forbindelser i kroppen. Dette resulterer i hjerneskade og mental retardasjon. Tyrosinasemangel forårsaker albinisme. Noen sykdommer behandles ved å administrere spesifikke enzymer. For eksempel brukes enzymet streptokinase til å løse opp arterielle blodpropper. Enzymet injiseres inn i hjertet, gjennom et kateter, til den blokkerte arterien. Pasienter som har hatt hjerteinfarkt behandles på denne måten. Fermentering: Fermentering er en kjemisk prosess der gjær og visse bakterier fungerer som katalysatorer på sukker for å produsere etanol og andre produkter. Det er omtrent 12 enzymer i en typisk gjær. Zymase er et av enzymene som finnes i gjær. Det finnes forskjellige typer gjær som vingjær, villgjær og filmgjær.

6.9 Kjemisk syntese Kjemikere lager forbindelser ved å bruke ulike kjemiske reaksjoner. I løpet av de siste tiårene har flere tusen forbindelser blitt syntetisert. Disse inkluderer forbindelser som forekommer i naturen, slik som de i planter, og også nye forbindelser som er helt designet av kjemikere. Den første kjente kjemiske syntesen var den av urea, NH2CONH2, av Wohler i 1828. I 1845 laget Kolbe eddiksyre, CH 3COOH, i laboratoriet. Metan ble laget av karbon og hydrogen av Berthelot i 1856. Alle disse er enkle molekyler. Du må sammenligne disse med syntesen av vitamin B12 fra 1972 av Woodward og hans store gruppe medarbeidere.

b735_Ch-06.pmd

263

24.06.2009, 14:29

264

Forstå kjemi

R = Adenosyl

Urea

Vitamin B12 La oss se på et eksempel på fremstilling av en enkel organisk forbindelse, fenol fra benzen. Følgende er trinnene involvert i å lage fenol fra benzen:

Du kan forestille deg det store antallet trinn (eller reaksjoner) som vil være nødvendige for å lage mer komplekse molekyler. I dag lager kjemikere svært komplekse forbindelser som følgende:

b735_Ch-06.pmd

264

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

265

Gingkolide A Dodecahedrane

Palytoksin Mange typer uorganiske forbindelser, som inneholder ulike grunnstoffer, har også blitt fremstilt de siste tiårene. Så er det organometallene. Dette er organiske forbindelser som inneholder metall-karbonbindinger. Noen av forbindelsene inneholder metallklynger. Slike forbindelser har også metall-metallbindinger.

b735_Ch-06.pmd

265

24.06.2009, 14:29

266

Forstå kjemi

R. B. WOODWARD (1917 – 1979) Robert Burns Woodward er sannsynligvis den største syntetiske organiske kjemikeren som kjemiens verden har sett. Hans store kunnskap om kjemi, ekstraordinære ferdigheter i å planlegge syntetiske strategier og ubegrenset entusiasme for å syntetisere vanskelige stoffer er en del av folkloren. Han var ekstremt hardtarbeidende og brukte mesteparten av tiden sin på kjemi, ofte med lite søvn. Han holdt foredrag på fire til fem timer om forskningen sin, og skrev alle strukturene vakkert på tavlen. Woodwards interesse for kjemi var tydelig selv i barndommen, da han gjorde eksperimenter med et kjemisett gitt til ham av moren. Collegedagene hans ved MIT var preget av hans besettelse av å lære kjemi. Han fullførte sin Ph.D. grad på ett år. Han tilbrakte hele sin karriere ved Harvard University hvor han ble professor i en alder av 33. Et stort antall studenter og medarbeidere (nær 400) fra hele verden jobbet med ham. Hans viktigste syntetiske prestasjoner er kinin (1944), patulin (1950), kolesterol (1951), kortison (1951), lanosterol (1954), lyserginsyre (1954), stryknin (1954), reserpin (1956), klorofyll (1960) , tetracykliner (1962), colchicin (1963), cefalosporin (1965) og vitamin B12 (1972). Han utviklet nye syntetiske strategier, løste strukturene til mange

b735_Ch-06.pmd

266

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

267

naturlige produkter og foreslått mange viktige prinsipper for organisk kjemi. Han mottok Nobelprisen i 1965. Woodward-Hoffmann orbitalsymmetriregler (1965) forutsier lettheten og det stereokjemiske resultatet av samordnede termiske og fotokjemiske reaksjoner. Woodward ville sannsynligvis ha delt 1981 Nobelprisen med Hoffmann for dette arbeidet, men han døde i 1979. Woodwards karisma og stil gjorde ham til en legende i sin egen levetid. I hendene hans tok organisk kjemi en kunstform. Woodward har satt sine uutslettelige fotspor innen organisk kjemi.

Fremstilling av noen kjemikalier: Aspirin: Aspirin er det mest brukte stoffet. Det er acetylsalisylsyre. Det oppnås ved omsetning av salisylsyre med en blanding av eddiksyreanhydrid og iseddik. Reaksjonsligningen er:

Ta 7 g salisylsyre og 6 ml eddiksyreanhydrid i en kolbe. Tilsett 10 ml konsentrert H2SO4 til blandingen ovenfor. Varm opp kolben i vannbad i 5 min. Avkjøl kolben og tilsett 25 ml destillert vann for å spalte gjenværende eddiksyreanhydrid. Hell blandingen i is i et beger. Krystaller vil

b735_Ch-06.pmd

267

24.06.2009, 14:29

268

Forstå kjemi

vises (det kan hende du må røre i løsningen eller skrape opp veggene på begerglasset). Løs opp krystallene i en minimumsmengde etanol, varm opp løsningen og avkjøl den. Du får rene krystaller av aspirin. Rayon eller kunstsilke: Det oppnås ved kjemisk behandling av cellulose. Det involverer to trinn: oppløsning av cellulosemateriale i en løsning av tetrammin kobber(II)hydroksid og tvinge væsken gjennom et kapillærrør inn i et fortynnet svovelsyrebad med høy hastighet. Rayontrådene fjernes deretter, vaskes med mye vann og tørkes. I dette preparatet får vi først en løsning av tetrammin kobber(II)hydroksid, [Cu(NH3)4] (OH)2. Dette gjøres ved først å oppnå et bunnfall av Cu(OH)2 ved å tilsette 7 ml lut ammoniakk til en løsning av 15 g CuSO4.5H2O i 100 ml vann. Bunnfallet oppløses i 40 ml brennevin ammoniakk for å få en blå løsning. Tilsett ett gram filterpapirbiter (cellulose) til den blå løsningen i en kolbe. Dekk til kolben og la stå i to dager. Etter at filterpapiret er oppløst, tving væsken gjennom en kapillær inn i en fortynnet svovelsyreløsning som vist nedenfor, for å få fargeløse tråder av rayon. Luft som skal tvinges inn her

Kapillærrør

Løsning av cellulose

b735_Ch-06.pmd

268

5 M Svovelsyre

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

269

Nylonfiber: Dette fremstilles ved omsetning av sebacinsyre (en dikarboksylsyre) med heksametylendiame (et diamin). I stedet for sebacinsyre kan også sebacoylklorid (syreklorid) brukes. Løs opp 3 ml sebacoylklorid i 100 ml diklormetan (CH2Cl2) løsningsmiddel. Løs opp 4,4 g heksametylendiamin, 8 g natriumkarbonat i ca. 100 ml vann. Tilsett diaminløsningen forsiktig til sebacoylkloridløsningen. Siden løsningsmidlene (diklormetan og vann) ikke løses opp i hverandre, dannes det to lag. Med en pinsett kan nylontråd trekkes fra grensesnittet mellom de to lagene. Nylontråden kan vikles rundt en glassstang. Reaksjonen her er ClOC

(CH2)8 (

COCl + H2N

(CH2)8 CO

(CH2)6

NH(CH2)6

NH2)n

Kaliumjernoksalat: I denne forbindelsen er tre oksalationer, (C2O4)2-, koordinert til Fe3+-ion. Forbindelsen har formelen K3[Fe(C2O4)3].3H 2O. Anionet har følgende struktur.

b735_Ch-06.pmd

269

24.06.2009, 14:29

270

Forstå kjemi

Til en løsning av jern(II)ammoniumsulfat, Fe(NH4)2(SO4)2 6H2O (5,5 g i 17 ml H2O), tilsett noen dråper fortynnet H2SO4 (for å sikre fullstendig oppløsning av jern(II)ammoniumsulfatet og for å forhindre hydrolyse av Fe2+). Til denne løsningen, tilsett en løsning av oksalsyre (3 g i 30 ml vann). Varm opp løsningen (under omrøring) og avkjøl den for å få et bunnfall av jernholdig oksalat, Fe(C2O4) 2H2O. Vask bunnfallet i vann grundig og kast supernatantvæsken. Til bunnfallet tilsettes en mettet løsning (11 ml) av kaliumoksalat. Varm blandingen til 40°C og tilsett sakte 20 ml 3 % hydrogenperoksid. Tilsett ytterligere 20 ml 3 % H2O2 og kok opp løsningen. Tilsett 10 ml 1 M oksalsyre til løsningen og fortsett å koke til fargen på løsningen blir grønn. Filtrer den varme grønne løsningen og tilsett 20 ml etanol til den (og varm opp blandingen til 70°C). Tilsett litt mer etanol til løsningen blir uklar. Avkjøl løsningen for å la krystallene av kaliumjernoksalat sette seg ned.

6.10 Supramolekylær kjemi I kjemi har vi generelt å gjøre med molekyler som har sterke kovalente bindinger. I løpet av de siste årene har en ny tilnærming til å designe molekyler basert på supramolekylær organisering vinner terreng. I supramolekylær kjemi blir molekylære enheter satt sammen eller organisert på en ønsket måte ved å gjøre bruk av svake interaksjoner mellom dem. Eksempler på slike svake interaksjoner er binding med metallioner og hydrogenbinding. Jean–Marie Lehn (Frankrike) har vært den store forkjemperen i å fremme den supramolekylære tilnærmingen til kjemi. Vi skal prøve å forstå dette ved å se på to eksempler.

b735_Ch-06.pmd

270

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

271

Først ser vi på et eksempel på supramolekylær organisering som bruker koordinering av metallioner til et organisk molekyl. I eksemplet nedenfor, hentet fra arbeidet til Lehn, oppnås en trippel spiralstruktur ved interaksjon av nikkelioner med et molekyl som inneholder tre bipyridinenheter. Molekylet er vist nedenfor.

Vi viser den tredimensjonale strukturen til molekylet og den supramolekylære sammenstillingen i figuren nedenfor.

Tre forskjellige farger brukes for å vise de tre heliksene.

b735_Ch-06.pmd

271

24.06.2009, 14:29

272

Forstå kjemi

I det andre eksemplet ser vi på den supramolekylære sammenstillingen oppnådd gjennom hydrogenbinding. Molekylene er cyanursyre (CA) og melamin (M). Både CA og M har sine egne stabile strukturer. Men hvis vi setter de to sammen, danner de en vakker sekskantet rosettstruktur vist nedenfor.

Molekylet med røde kuler som stikker ut er CA og det andre er M. De stiplede linjene er hydrogenbindinger. Vi ser at hvert molekyl danner tre hydrogenbindinger på hver side. Disse rosettene stabler seg selv og den tredimensjonale strukturen har derfor vakre kanaler.

b735_Ch-06.pmd

272

24.06.2009, 14:29

Kjemiske reaksjoner

273

Det finnes et hvilket som helst antall supramolekylært organiserte forsamlinger. Mange av de vakre tingene i naturen, inkludert skjellene, er et resultat av supramolekylær organisering av kjemiske arter.

Konklusjoner Vi har forsøkt å forstå naturen og årsakene til kjemisk reaktivitet og gått gjennom noen få typer kjemiske reaksjoner. Vi har også undersøkt hvilke faktorer som påvirker kjemiske reaksjoner. Spesielt har vi sett på katalytiske reaksjoner som spiller en stor rolle i industri og biologi. Antallet kjemiske rekasjoner og reagenser er veldig stort. Ved å bruke forskjellige reaksjoner kan kjemikere

b735_Ch-06.pmd

273

24.06.2009, 14:29

274

Forstå kjemi

forberede (syntetisere) molekyler med stor kompleksitet. Syntese har vært en stor opptatthet av kjemikere og har gitt utbytte på grunn av bruken av forbindelsene slik laget.

Treenighet eller tusen helgener! Det er allment anerkjent at Galileo, Newton og Einstein utgjør treenigheten i fysikk. I organisk kjemi (syntese) sies Wilstatter (Tyskland), Robinson (Storbritannia) og Woodward (U.S.A.) å danne treenigheten. I dag har kjemikernes evne til å designe og lage molekyler og materialer med ønsket struktur og egenskaper nådd et meget høyt nivå, med nyere prestasjoner som gjøres hele tiden. Og nyere helgener blir født med jevne mellomrom. Noen av dem har mange hender og hoder. Hvis du ber kjemikere om å lage en stjerneformet organisk polymer, en organisk molekylær skyttel eller et uorganisk fast stoff som har kanaler i seg som bare lar visse molekyler passere gjennom, vil de lett tvinge det. Hvis du ber dem om å gjøre kanalen i det uorganiske faststoffet magnetisk, vil de prøve. Deretter vil du kanskje at en metallisk nanotråd (av molekylære dimensjoner) eller små metallpartikler (med noen få Ångstrøms diameter) skal være inne i kanalen sammen med noen få molekyler av en metallforbindelse som henger løst i kanalen. Det vil de garantert gjøre innen rimelig tid. Hvis du vil ha samme type kanal i et organisk faststoff, vil de sikkert hjelpe. Det er mulig at du kanskje ikke vil ha slike forbindelser i det hele tatt. I stedet kan du gjerne ha en forbindelse som er både organisk og uorganisk, leder elektrisitet, også er magnetisk og blir superledende ved lave temperaturer.

b735_Ch-06.pmd

274

24.06.2009, 14:29

7 TO KJEMIKERE

Mål

b735_Ch-07.pmd

•

Den enorme mengden av kjemi, som involverer hundretusenvis av forbindelser med en rekke strukturer og egenskaper, er resultatet av innsatsen til et stort antall kjemikere. Vi skylder kjemitradisjonene til flere av pionerene.

•

Det er lærerikt og inspirerende å gå gjennom livshistoriene og det vitenskapelige arbeidet til noen av dem som har gitt store bidrag til kjemien. I denne leksjonen skal vi ta et blikk på de vitenskapelige biografiene til to av de største kjemikerne i verden - en fra 1800-tallet og en annen fra 1900-tallet.

275

23.06.2009, 18:46

276

Forstå kjemi

Michael Faraday (1791 – 1867)

Året 1991 markerte tohundreårsdagen for den største eksperimentelle filosofen verden har kjent, Michael Faraday*. Det er vanskelig å tenke på en annen eksperimentell vitenskapsmann enn Faraday som har satt et så uutslettelig preg på prestasjon i ren og anvendt vitenskap. Hans monumentale bidrag til vitenskapen spenner over en rekke felt, inkludert kjemi, fysikk, materialvitenskap og ingeniørfag. Man spør seg om et slikt individ noen gang har levd. Faraday var et unikt menneske begavet med ekstraordinær fantasi og eksperimentell kreativitet. Livet hans har fremkalt en romantisk respons fra den ene generasjonen etter den andre. Vi

* basert på en artikkel i Current Science (1991)

b735_Ch-07.pmd

276

23.06.2009, 18:46

To kjemikere

277

få litt innsikt i Faradays personlighet gjennom hans egne ord: Ikke anta at jeg var en veldig dyp tenker eller ble markert som en tidlig person. Jeg var en veldig livlig, fantasifull person og kunne tro på Arabian Nights like lett som på Encyclopaedia.

Faraday hadde en barnlig ærefrykt og en stor følelse av hensikt kombinert med ydmykhet. Han ble ikke bortskjemt med formell utdannelse; han var selvlært. Han sluttet på skolen i en alder av tretten og startet sin karriere som ærendutt, og deretter som bokbinder, og reiste seg til å bli en av de største vitenskapelige gigantene. Han var en produktiv forfatter og forfattet rundt 450 forskningspublikasjoner. Det er ikke en eneste matematisk ligning i noen av hans arbeider, fordi han ikke kunne matematikk. Likevel, som Albert Einstein bemerket, var Faraday, sammen med Maxwell, ansvarlig for den største endringen i det teoretiske grunnlaget for fysikk siden Newton. Faraday ble født som det tredje barnet til en smed 22. september 1791 i Newington Butts nær London. Etter bare å ha lært elementær lesing, skriving og regning, sluttet han på skolen og jobbet først som avisgutt og lærte seg så kunsten å binde bøker. Mens han gjorde det, interesserte han seg også for innholdet i vitenskapelige bøker og begynte å gjøre enkle eksperimenter i kjemi ved å bruke noen få pence hver uke. Han deltok på noen av forelesningene til Sir Humphry Davy i 1812 ved Royal Institution og ble så imponert over det han hørte og så at han søkte en avtale under Davy. Han fulgte Davy som sin sekretær og vitenskapelige assistent i 18 måneder på en Europaturné mellom 1813 og 1815. I løpet av denne perioden, selv om Frankrike og Storbritannia var i krig, hadde Napoleon bestemt at forskere var frie til å møtes og utveksle ideer. På denne turen møtte Faraday store vitenskapsmenn

b735_Ch-07.pmd

277

23.06.2009, 18:46

278

Forstå kjemi

som Ampère, Dumas, Gay-Lussac, Humboldt og Volta. Da han kom tilbake fra Europa i 1815, ble Faraday utnevnt til assistent og superintendent for apparater ved Royal Institution. Han skrev sin første forskningsartikkel i 1816 om analyse av innfødt kaustisk kalk. I 1821 giftet han seg. I 1824 ble han valgt til stipendiat i Royal Society. I løpet av midten av 1820-årene startet Faraday sine pedagogiske eksperimenter og kommunikasjon med publikum gjennom popularisering av vitenskap. Faradays kveldsdiskurser ble snart kjent. Juleforelesningene hans ble legendariske. Faraday var ikke en født foreleser. Likevel, ved konsensus, ble han lett en av de største foreleserne. Faradays mest kjente forelesningsserie om «The chemical history of a candle» (første gang utgitt i 1850) har blitt en klassiker. Faraday ble den første fullerske professoren i kjemi ved Royal Institution i 1834 og fortsatte å jobbe til han ble pensjonist. Hans siste store publikasjon i kjemi var i 1857 om "Eksperimentelle forhold mellom gull og andre metaller til lys" og omhandlet kolloidale metaller. (Noen av metallkolloidene laget av Faraday er fortsatt bevart.) Hans siste store artikler i fysikk var i 1862 om påvirkningen av et magnetisk felt på spektrallinjene til natrium, på kraftlinjene og konseptet med et felt. Faraday forble en dedikert vitenskapsmann hele livet. Han takket nei til viktige stillinger siden det ville komme i veien for forskningen hans. Han gjorde dette i all ydmykhet. Mot slutten av karrieren da han fant ut at han ikke lenger var fysisk i stand til å forelese og jobbe i laboratoriet, trakk han seg frivillig fra styrevervet ved Royal Institution.

b735_Ch-07.pmd

278

23.06.2009, 18:46

To kjemikere

279

I 1858 ga dronning Victoria Faraday fordelen med et hus ved Hampton Court, hvor han døde fredelig 25. august 1867. Han ble gravlagt i en enkel grav ikke langt fra Karl Marx. På graven til Karl Marx står det skrevet «Filosofer tolker verden, men oppgaven er å forandre den». Denne uttalelsen gjelder mer for Faraday. Faradays bidrag til vitenskapen er virkelig overveldende, med tanke på originaliteten og kvaliteten og også det faktum at alle prestasjonene ble oppnådd av en enkelt person. Man kan klassifisere bidragene hans under de brede overskriftene fysikk og kjemi, selv om mange vil falle inn under begge kategorier. Noen vil komme inn under det som i nyere tid er kjent som materialvitenskap. Det er derfor ikke overraskende at Faraday Society, da det ble etablert, ble chartret for å utforske tverrfaglige områder knyttet til ulike inndelinger av naturfilosofi. Omfanget og antallet store gjennombrudd som Faraday har oppnådd er overveldende. Hvis det noen gang hadde vært nobelpriser under Faradays tid, kunne han ha vunnet minst fem (for elektromagnetisk induksjon, elektrolyselover, magnetisme og Faraday-effekt, oppdagelse av benzen og forestillingen om et felt). Mange glemmer at det var Faraday som laget ordene diamagnetisme og paramagnetisme. Ideen om et felt som fysikere bruker altfor ofte ble først unnfanget av Michael Faraday. Da Faraday oppdaget dynamoeffekten, ble han spurt av finansministeren: "Hva er nytten med denne oppdagelsen?" Faraday svarte: "Sir, en dag vil du skattlegge det." Det er Faradays forestilling om et felt som førte til Maxwells store funn på et senere tidspunkt. Her ville det vært mest hensiktsmessig

b735_Ch-07.pmd

279

23.06.2009, 18:46

280

Forstå kjemi

for å minne om forsynserklæringen til Faraday (1845) hvor han sier: Jeg har lenge hatt en oppfatning, nesten tilsvarende overbevisning, til felles, tror jeg med mange andre elskere av naturkunnskap, at de forskjellige formene som materiens krefter er under. gjort manifest har en felles opprinnelse; eller, med andre ord, er så direkte beslektede og gjensidig avhengige at de så å si kan konverteres til hverandre, og har ekvivalenter av makt i sin handling.

Faradays bidrag til kjemi er ekstraordinære. Mange kjemikere tror at Faraday var en av sitt slag, noe som, bortsett fra å være korrekt, trekker vår oppmerksomhet til hvordan denne store kjemikeren også gjorde stor fysikk. Noen av de viktige kjemiske forbindelsene oppdaget av Michael Faraday er benzen, tetrakloretylen, isobutylen og heksaklorbenzen. Det er avslørende å analysere produktiviteten til Faraday i de forskjellige periodene. Når man gjør det, skiller året 1833 seg spesielt ut. Fra laboratorienotatbøkene hans ser man at han oppdaget elektrolyse med smeltet salt i februar 1833 og identifiserte superionisk ledningsevne i sølv og andre halogenider samme måned. I begynnelsen av november arbeidet han med katalytisk aktivitet av platina, og 22. november arbeidet han med separering av gasser som etylen og karbondioksid. 25. november gjennomførte Faraday undersøkelser om fuktbarheten til faste stoffer som kvarts. I midten av desember arbeidet han med ekvivalensen av elektrisitet fra forskjellige kilder, og senere samme måned utførte han studier som førte til elektrolyselovene. 24. desember gjorde han eksperimenter med kjemiske endringer forårsaket av passasje av elektrisitet gjennom smeltet tinnklorid. 26. desember gjorde han et viktig eksperiment om nedbrytning av blyhalogenider og andre salter. Det var ingen påmelding 25. desember (juledag).

b735_Ch-07.pmd

280

23.06.2009, 18:46

To kjemikere

281

Faraday var tydeligvis et geni drevet av en trang til å utforske. Han var møysommelig, hardtarbeidende, dedikert og uforgjengelig og var et lager av energi. Hans kreative bidrag strakte seg over en periode på rundt 50 år siden hans første utgivelse i 1816. Han var en stor instrumentbygger og en vågal eksperimentell. Han ville demonstrere statisk elektrisitet for publikum ved å låse seg inn i et "Faraday-bur"; han brente diamant for å vise at det ikke var annet enn karbon. Hans beretninger om de forskjellige eksperimentene er et under av grundighet. I noen av sine artikler foreslo Faraday hvordan man best kunne angripe et problem (for eksempel i sin artikkel "To nye forbindelser av klor og karbon"). Faraday trengte ikke å bekymre seg for ren kontra anvendt forskning (som mange gjør nå). Mesteparten av Faradays forskning fant anvendelse, og man kan ikke bedre hans oversikt over spin-offs fra grunnleggende forskning. Hans bidrag til moderne elektrisk industri er åpenbart. Elektrolysens lover styrer alt som har skjedd innen elektrokjemisk teknologi og industri. Faraday var den første som oppdaget termistorvirkning. Han gjorde gasser flytende, renset dem og utførte katalytiske reaksjoner. Faraday mente at eksperimenter ga den eneste måten å forstå naturen på. Som han sa, ingenting er for fantastisk til å være sant, hvis det er i samsvar med naturlovene og i slike ting som disse, er eksperimentet den beste testen på en slik konsistens.

Det finnes ingen bedre måte å hylle Michael Faraday enn ved å gjengi ordene til Rutherford: Jo mer vi studerer Faradays arbeid med tidsperspektivet, jo mer imponeres vi over hans uovertrufne geni som eksperimentell og naturfilosof. Når vi vurderer omfanget og omfanget av oppdagelsene hans og deres innflytelse på vitenskapens og industriens fremgang, er det ingen ære som er for stor til å gi minnet om Michael Faraday - en av de største vitenskapelige oppdagerne gjennom tidene.

b735_Ch-07.pmd

281

23.06.2009, 18:46

282

Forstå kjemi Viktige bidrag fra Michael Faraday til fysikk

1821 1831 1832 1835 1836 1845 1849 1857 1862

Elektromagnetisk rotasjon Elektromagnetisk induksjon Akustiske vibrasjoner Identitet av elektrisitet fra ulike kilder Utladning av elektrisitet gjennom evakuerte gasser (plasmafysikk) Elektrostatikk Sammenheng mellom lys, elektrisitet og magnetisme; diamagnetisme og paramagnetisme, magneto-optikk Tyngdekraft og elektrisitet Tid og magnetisme Påvirkning av et magnetisk felt på spekteret av natrium Kraftlinjer og forestillingen om et felt Til kjemi

1816 1818–1824 1812–1830

1820–1826

1825–1831 1823, 1845 1833–1836

1834

b735_Ch-07.pmd

Evolusjon av gruvearbeiderens sikkerhetslampe (med Humphry Davy) Fremstilling og egenskaper av legert stål Renhet og sammensetning av leire, naturlig kalk, vann, krutt, rust, ulike gasser, væsker og faste stoffer (analytisk kjemi) Oppdagelse av benzen, isobuten, tetrakloretylen, heksaklorbenzen, isomerer av naftalensulfonsyrer (organisk kjemi). Fotokjemiske reaksjoner Produksjon av glass av optisk kvalitet Flytendegjøring av gasser (H2S, SO2, etc.); Eksistens av kritisk temperatur og kontinuitet i tilstanden Elektrokjemi; lover for elektrolyse. Ekvivalens av ulike former for elektrisitet. Termistorvirkning, smeltede saltelektrolytter; superioniske ledere Heterogen katalyse; overflatereaksjoner Adsorpsjon; fuktbarhet av faste stoffer

282

23.06.2009, 18:46

To kjemikere

1835 1836 1845–1850

1857

283

Plasmakjemi Dielektrisk konstant, permittivitet Magnetokemi, magnetiske egenskaper til stoffet Faraday-effekt, diamagnetisme, paramagnetisme magnetisk anisotropi Kolloide metaller, soler og hydrogeler

Linus Pauling (1901 – 1994)

Linus Pauling* ble født i Oswego, en liten landsby i Oregon, U.S.A. 28. februar 1901, da vestens grenseånd fortsatt var utbredt. På morens side hadde han noen ukonvensjonelle slektninger. Faren hans eide et lite apotek. Som barn var Pauling interessert i insekter og mineraler. * basert på en artikkel i Current Science (1994)

b735_Ch-07.pmd

283

23.06.2009, 18:46

284

Forstå kjemi

På skolen hadde han en eller to lærere som gjorde naturfag spennende. Tidlig i livet mistet han faren og måtte jobbe i fritiden for å forsørge familien. Han fullførte skolen, men fikk ikke vitnemålet siden han ikke fullførte et kurs i samfunnsfag. (Skolen tildelte vitnemålet etter at han mottok sin andre Nobelpris.) Han hadde imidlertid fullført alle kravene for å bli med på den nærliggende Oregon Agricultural College i Corvallis som studenter. Hans fullendte tro på sitt eget intellekt var tydelig selv på den tiden. Ved en anledning så han ut til å ha stilt seg opp i et åpent møte med studenter under dekanens tale, for å korrigere noen av uttalelsene. Pauling følte at han måtte gripe inn siden han ikke ønsket at den store forsamlingen av studenter skulle bli feilinformert. Pauling måtte ta en pause fra studiene etter to år på grunn av økonomiske vanskeligheter. Han kunne bare komme tilbake til høgskolen når han ble gjort til assistent for å undervise i kvantitativ analyse. I 1922 mottok Pauling en bachelorgrad i kjemiteknikk. På den tiden hadde han lest papirene til Langmuir og Lewis om atomer og molekyler. Han hadde også tatt kurs i matematikk, fysikk og krystallografi. Selv om det var et betydelig press på ham for å ta en jobb for å forsørge familien, bestemte Pauling seg for å fortsette videreutdanning. Valget han hadde var University of California, Berkeley, hvor G. N. Lewis ledet en berømt avdeling eller California Institute of Technology hvor A. A. Noyes var styreleder. Han gikk på Caltech siden han først fikk opptak derfra. Robert Millikan var da president for Caltech. Han tok opp krystallografi for sin Ph.D. avhandling. Han giftet seg også med sin mangeårige venn, Ava Helen, på dette tidspunktet.

b735_Ch-07.pmd

284

23.06.2009, 18:46

To kjemikere

285

Etter Ph.D. grad ønsket Noyes at Pauling skulle reise til Europa, og ga til og med et økonomisk bidrag til Europa-turneen. Pauling dro til Sommerfeld i München og tilbrakte senere en tid i København (med Bohr) og i Zürich (med Schrödinger). Under oppholdet hos Sommerfeld kom Pauling i kontakt med Heitler og London og skrev en klassisk artikkel om egenskapene til multielektronatomer som avslørt av kvantemekanikk. Han viste hvordan man kunne forutsi atomegenskaper fra kvantemekanikk, i samsvar med resultatene fra krystallografi. Lawrence Bragg, som var en viktig vitenskapsmann på den tiden, satte ikke særlig pris på Paulings papir. Pauling var imidlertid sikker på at han ikke hadde noe å skamme seg over. Pauling kom tilbake til Caltech i 1928 som adjunkt i teoretisk kjemi. På den tiden begynte Slater med sitt kvantemekaniske arbeid. En av de første tingene Pauling gjorde var å forene Bohr-modellen av atomet med Lewis-modellen av atomer og molekyler (Lewis skrev sin klassiske artikkel i 1916). Han skrev en serie artikler under overskriften "Nature of the Chemical Bond", der han beskrev valensbindingstilnærmingen, og ideene hans om en rekke emner som resonans, ionisitet, hybridisering og så videre. I 1930 satte han i gang forskning på elektrondiffraksjon av gasser og utledet strukturene til mange viktige molekyler av relevans for forståelsen av kjemisk binding. Elektronegativitet og hydrogenbinding er de andre temaene han undersøkte. Linus Pauling var da en kilde av kunnskap som endret kjemiens retning. Denne perioden i Paulings liv er noe sammenlignbar med den i Faraday, et århundre tidligere. Det som er overraskende er at dette monumentale bidraget til Linus Pauling på begynnelsen av 1930-tallet ikke ga ham Nobelprisen.

b735_Ch-07.pmd

285

23.06.2009, 18:46

286

Forstå kjemi

Pauling, som et barn av den fysiske vitenskapens gullalder, ble far til moderne kjemi. I 1935 skrev han den klassiske boken med tittelen Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry sammen med Wilson. I 1938 skrev Pauling den nå udødelige boken, The Nature of the Chemical Bond. (Boken ble dedikert til G. N. Lewis.) I 1947 skrev Pauling den første ordentlige læreboken i generell kjemi for ferske studenter. Dette var en trendsetter. Rundt 1935 ble Pauling interessert i biologi. Han utførte eksperimenter på hemoglobin og proteindenaturering. På begynnelsen av 1940-tallet begynte han å jobbe med polypeptider og proteiner. Han måtte forholde seg til Dorothy Wrinch som hadde kommet ut med symmetriargumenter og med cyklolmodellen. Pauling viste at modellen hennes var feil og var imot all kjemisk intuisjon. Pauling hadde sin egen kjedemodell for strukturen til polypeptider og proteiner basert på planheten til peptidbindingen. I 1950 hadde Pauling og Corey utarbeidet den alfa-helikale strukturen til proteiner. Tilsynelatende slo ideen om alfa-helix Pauling på et universitet i Oxford hvor han var i ferd med å komme seg etter en forkjølelse. Pauling var ikke bare en person med ekstraordinært talent og intuisjon, men også en med stor selvtillit og mot. Han var ekstremt rask med å forstå et problem og jobbet veldig hardt med det. Hvis han trodde på noe, ville han gå langt for å gjøre de andre argumentene meningsløse. Pauling selv ble utsatt for betydelig kritikk av noen forskere for sine uvanlige metoder og tilnærminger. Man bør imidlertid huske at Pauling var et fenomen i kjemien. Paulings viktigste bidrag til strukturell biologi ble gitt mellom 1947 og 1952. I 1949 skrev han den berømte

b735_Ch-07.pmd

286

23.06.2009, 18:46

To kjemikere

287

papir om sigdcelleanemi hvor han viste at en endring i en aminosyrerest av 146 var ansvarlig for sykdommen. Han kalte det en molekylær sykdom. Noen reservasjoner ble opprinnelig uttrykt av noen forskere i Storbritannia angående den alfa-helikale strukturen til proteiner. Imidlertid var denne viktige oppdagelsen der for å bli. Han kom nærme på å løse DNA-strukturen. Det er i denne perioden Pauling møtte Einstein som han hadde diskusjoner med om menneskerettigheter, determinisme, fred og andre temaer. I 1950 ga Pauling en offentlig uttalelse om behovet for å unngå krig. Dette var tiden da McCarthy styrte øverst og Pauling ble et offer for den amerikanske regjeringens vrede. Han klarte ikke å få pass for å delta på det viktige møtet i Royal Society i 1952 hvor han skulle diskutere strukturen til biopolymerer. Appeller fra Einstein, Fermi og en rekke andre forskere var til ingen nytte. Sent i 1954 mottok Pauling Nobelprisen for sitt arbeid med den alfa-helikale strukturen til proteiner. Kort tid etter Nobelprisen arbeidet han med det molekylære grunnlaget for psykiske lidelser og viste viktigheten av vitamin B3. Ordtaket sier at hvis Pauling hadde deltatt på møtet i 1952 og sett røntgendiffraksjonsfotografiene av DNA presentert der, ville han sannsynligvis også ha løst strukturen til DNA. På midten av 1950-tallet hadde Paulings aktiviteter i fredsbevegelsen økt. Han kom med inderlige appeller om å stoppe kjernefysiske tester og advarte verdenssamfunnet om farene ved kjernefysisk stråling. Han hadde store uenigheter med Libby og andre som fant lite galt med strålingsnivåer forårsaket av kjernefysiske tester. Pauling skrev til president Eisenhower og påpekte faren ved atomvåpen, spesielt dens biologiske effekter. Han fikk ikke noe svar.

b735_Ch-07.pmd

287

23.06.2009, 18:46

288

Forstå kjemi

I stedet utviklet pressen og samfunnet for øvrig en enorm motsetning mot ham. Hos Caltech økte presset på en måte som gjorde at han trakk seg fra formannskapet i kjemidivisjonen i 1958. På slutten av 1950-tallet hadde han debatter med Edward Teller om kjernefysiske tester og de negative effektene av stråling. Han besøkte Albert Schweitzer for å få støtte til fredsbevegelsen. I 1960 sendte Pauling en appell til FN med signaturer fra over 1500 forskere og andre om forbud mot atomprøvesprengninger og nedrustning. Det brakte bare vreden til det amerikanske senatet, men dette stoppet ikke Pauling fra å fortsette sitt korstog. Mange universiteter ville ikke tillate ham å forelese. Det var en interessant hendelse i 1962. Pauling ledet en streikerlinje foran Det hvite hus hele dagen. Samme kveld var det middag for de amerikanske nobelprisvinnerne i regi av president Kennedy. Pauling forlot streiken om kvelden og dro til Det hvite hus for å spise middag. I 1962 mottok Pauling Nobelprisen for fred. Dette skapte flere problemer for ham og antagonismen økte fra utallige hold. Holdningen til American Chemical Society var ikke spesielt behagelig. Han fikk ikke engang publisere en replikk til et angrep mot ham i nyhetsmagasinet. Pauling trakk seg fra medlemskapet i American Chemical Society. Han bestemte seg for å forlate Caltech i 1964. Pauling var en trakassert mann fra 1954 og utover, men han fortsatte å publisere artikler om kjernefysisk struktur og om visse biologiske problemer. På slutten av 1960-tallet, etter å ha mottatt to Nobelpriser, hadde ikke Pauling et ordentlig sted å jobbe. Han jobbet først ved Center for the Study of Democratic Institutions i Santa Barbara og senere ved University of California, San Diego. I løpet av

b735_Ch-07.pmd

288

23.06.2009, 18:46

To kjemikere

289

denne perioden startet han forskning på ortomolekylær psykiatri og viste hvordan mentale pasienter hadde mangel på askorbinsyre, pyrodoksin og vitamin B3. Han jobbet en kort tid på Stanford fra 1969, da han skrev sin artikkel om genetiske og stomatiske effekter av høyenergistråling. Han grunnla Linus Pauling Institute of Science and Medicine i 1974. Basert på litteraturforskning og sin egen intuisjon foreslo han at vitamin C var bra mot forkjølelse. Pauling startet arbeidet med vitamin C og kreft. Nytten av vitamin C i forhold til kreft eller hjertesykdom har vært et spørsmål om debatt. Det ser imidlertid ut til å være enighet om at vitamin C har gunstige effekter på grunn av sin rolle som frie radikaler. I 1975 frikjente den amerikanske regjeringen Linus Pauling for det han ble anklaget for. Han ble tildelt National Medal of Science. I 1976 feiret Caltech sin 75-årsdag. I 1976 feiret American Chemical Society (ACS) sitt hundreårsjubileum. Presidenten for ACS var da Glenn Seaborg, den tidligere styrelederen for U.S.A. Atomic Energy Commission. Pauling holdt ACS hundreårsforelesning. Pauling utførte forskning selv på 1980-tallet. Han skrev en artikkel om kvasikrystaller i 1985 og en annen om superledning i 1988. Disse papirene minner om den gamle Pauling, fortsatt interessert i struktur og binding. I 1991, i anledning hans 90-årsdag, hedret U.S. National Academy of Sciences ham med en spesiell sitering. Hvordan ser man på denne store kolossen? Linus Pauling var klart den største kjemikeren på 1900-tallet. Han var personen som brakte kjemi inn i fysikkens rike og skapte moderne fysisk kjemi. Han var den første personen som gjorde kjemisk binding til sin primære bekymring

b735_Ch-07.pmd

289

23.06.2009, 18:46

290

Forstå kjemi

som han endret kurset i kjemi. Pauling skapte moderne strukturbiologi gjennom oppdagelsen av alfahelix og ved å vise sigdcelleanemi som en molekylær sykdom. Da var han en korsfarer for menneskerettigheter og fred. Det er ingen vitenskapsmann i dette århundre eller noen annen tid, som tok på seg hele verden bare fordi han trodde på noe ved å gjennomgå personlig lidelse og trakassering i lange perioder. Pauling er en helt for de fleste kjemikere. Han var personen som skapte den typen kjemi som vi alle elsker. Han var langt foran sin tid. Han var ikke bare århundrets kjemiker, men også en mann for alle tider.

b735_Ch-07.pmd

290

23.06.2009, 18:46

To kjemikere Kjemiske poster

291

NOEN KJEMISKE RECORDS Elementer Minste atom

Hydrogen (H)

Største atom

Cesium (Cs)

Det tyngste atomet

uran (U); isotop 238

Element med laveste kokepunkt

Helium (He); −269 °C (4 K)

Element med høyeste kokepunkt

Rhenium (Re); 5596 °C (5869 K)

Mest tett element

Osmium

De mest tallrike elementene i universet

H og Han

Mest tallrike grunnstoff på jorden

Oksygen

Mest tallrike element i menneskekroppen

Oksygen

HSO3F + 90 % SbF5 (magisk syre)

Kjemiske egenskaper Sterkeste syre

b735_Ch-07.pmd

Sterkeste oksidasjonsmiddel:

F2O

Sterkeste reduksjonsmiddel:

Azidion (N3−)

Høyeste oksidasjonstilstand

+8 i Ru, Os og Xe

291

23.06.2009, 18:46

292

Forstå kjemi

Kjemiske stoffer Søteste stoffet

Sukronsyre (200 000 ganger søtere enn sukker)

Den varmeste blandingen

Capsaicin (fra paprika)

Mest giftig stoff:

Dioksin

Kraftigste eksplosiv:

Hexanitroisowurtzitane (CL 2O)

Mest eksotisk løsemiddel

Flytende bly

Mest brukte stoffet

Aspirin

Mest brukte katalysator

Utslippskontrollkatalysator (> 3 milliarder dollar per år)

Mest brukte insektmidler

Organofosfater (~ 3 milliarder dollar per år)

Mest brukt plast

Polyetylen

Bedrifter og land

b735_Ch-07.pmd

Selskap som har introdusert maksimalt antall nye produkter det siste tiåret

Novartis

Største kjemiske selskap (basert på salg)

BASF (Tyskland)

Største kjemiske selskap (basert på fortjeneste)

du Pont (U.S.A.)

Største farmasøytiske selskap

Merck

Land med maksimalt antall kjemiske patenter og forskningspublikasjoner

U.S.A.

292

23.06.2009, 18:46

Kjemikalieregister To kjemikere

293

Personer med to nobelpriser Marie Curie

Fysikk (1903), kjemi (1911)

Linus Pauling

Kjemi (1954), Fred (1962)

John Bardeen

Fysikk (1956), Fysikk (1972)

Frederick Sanger

Kjemi (1958), Kjemi (1980)

Referanse: "World Records in Chemistry" utg. H. J. Quadbeck – Seeger, Wiley-VCH (1999).

b735_Ch-07.pmd

293

23.06.2009, 18:46

Denne siden er tom med hensikt

b735_Ch-07.pmd

294

23.06.2009, 18:46

INDEKS

eddiksyre, 46, 247, 263 aceton, 46 acetylen, 47, 170 sur nedbør, 82 syrer, 37 akrilan, 62 aktivert kompleks, 241 aktiveringsenergi, 237, 242 aktivitetsserier, 253 addisjonsreaksjoner, 244 adhesufive, prinsipp 98 alkymist, 11 aldehyd, 46 alkalimetall, 111 alkalier, 37 alkaner, 47 alkener, 47 alkyner, 47 alfa-helix, 188 aminosyrer, 186 ammoniakk, 162, 231 ammoniumion, 3 5 anion, 155 anion, 43, 43 44 antimon, 126 argon, 108 kunstige grunnstoffer, 115 aspartam, 3 aspirin, 48, 191, 267, 292 asymmetrisk karbon, 178 atmosfære, 75 atomer, 19, 22 atommasse, 23

b735_Index.pmd

295

atomnummer, 95 ATP, 74 Avogadro-tall, 23 banan, 6, 74 batteri, 208 bivoks, 64 benzen, 48, 53, 154, 173 benzenderivater, 49, 248 BF3, 162 biokonvertering, 162 biogass,,,, 95 bindingsvinkel, 152 bindingsbrudd, 201 bindingsavstand, 152 bindingsenergi, 152 bindingsdannelse, 201 bindingspar, 151, 161 Boyle, 90 brom, 123, 143 Brönsted syre, 156 Buckminster fulleren, 174 74 buckter, 174 74 buckter C60 , 174 koffein, 75 kamfer, 48, 56 kreftceller, 234 karbanion, 243 bilbatteri, 210 karbonforbindelser, 45 karbohydrater, 71

23.06.2009, 18:44

296

Forstå kjemi

karbonat, 155 karboniumion, 242 karbondioksid, 58, 259 karbonmonoksid, 153, 259 karbon-oksygen syklus, 78 katalyse, 256 katalysator, 18, 256 katalytisk omformer, 259 katode, 42,5 karbon, 42,5 karbon, 42,5 44 cellulose, 63 celluloseacetat, 62 sement, 230 CFC, 81 kjedereaksjon, 247 kjemiske endringer, 13 kjemisk energi, 198 kiralt molekyl, 178 klor, 19, 44, 142 kloroform, 46, 46, 471958 klorofyll, 21 klorofyll, klorofyll, klorofyll , 64, 73 kromatografi, 66 cis-form, 176 citral, 55 kull, 216, 218 kaffe, 75 cola, 75 farger, 5-kontakt prosess, 231, 257 forbrenning, 200, 203, 203 koordinasjonsforbindelse, 22 koordinasjonsforbindelse, 636 koordinasjonsforbindelse , 34, 58 korrosjon, 35, 245 kovalent binding, 133, 140 kovalent nettverk, 39 kovalent stoff, 39 cracking, 258

b735_Index.pmd

296

krystaller, 57 Curie, 109 cykloheksan, 178, 244 dacron, 249 Dalton, 21 Davy, 92 d-blokkelementer, 114 DDT, 3 d-orbital, 98, 147 dekomponeringsreaksjon, 246 dehydrering, 246, diamond, 246, diamond 173 diamantfilm, 39 diabetes, 3, 72 diesel, 219 diett, 73 dissosiasjon, 37 destillasjon, 87 DNA, 158, 191 Dobereiner, 100 dobbeltbinding, 145, 153 tørre celler, 208 dynamitt, 70 serie 12 kjemiske jordskorper, 253 elektrolyse, 42 elektrolytter, 36 elektron, 94 elektronaffinitet, 120 elektronegativitet, 147 elektrofil, 243 elektroplettering, 44 elektronoverføring, 251 elementer, 7, 12, 90, 125 emulgerende, 2 8 endotermisk energi, 27, 27, 27 242 entalpi endring, 201

23.06.2009, 18:44

Indeksenzymer, 190, 261 enzymmangel, 262 epoksy, 60 likevekt, 56, 228 eterisk olje, 54 ester, 46, 54, 256 etylacetat, 54, 248, 256 etylalkohol, 53 etylen, 52, 53 etylen 2 reaksjon , 244 eksoterme, 199, 227 Faraday, 43, 276 fettsyrer, 61, 72 fettsyrer, 72 f-blokkelementer, 114 gjæring, 53, 245, 263 ferromagnetisk, 118 gjødsel, 3, 231 forsterket, Feynman- 231 plast, 60 brann, 69 fyrverkeri, 71 Fischer-Tropsch, 258 fluor, 141 fluorforurensning, 86 folsyre, 72 mat, 71, 215 f-orbital, 98, 147 fri radikal, 242, 249, 249 fruktose, 12801 brenselcelle, fulleren, 174 hvitløk, 6 gammaxene, 244 gasshydrat, 223 glass, 41, 57 glukose, 74, 180, 206 global oppvarming, 81 glyserin, 61

b735_Index.pmd

297

gull, 34, 253 grafitt, 40, 174 drivhuseffekt, 79 grupper, 103 krutt, 70 Haber-prosess, 230, 259 hem, 179 hemoglobin, 73, 179 halogener, 111 hardt vann, 85 HBr3 varme, 143 HCl, 143 HCl reaksjoner, 201, 206 tungtvann, 244 helium, 108 herbicider, 3 heterogen katalyse, 256 HgCl2, 162 homogen katalyse, 256 menneskekropp, 12 hybridisering, 164 hybrid orbital, 165 17, 2340 hydrogen, 2340 hydrogen, 5 , 221 hydrogenering, 248, 258 hydrogenbinding, 181 hydrogenenergi, 223 hydrogenperoksid, 18, 246, 257 hydrolyse, 245 is, 56, 183, 199 ilmenitt, 30 indikator, 38 inerte gasser, 38 inerte gasser, 3 insulin binding, 133, 135 ioniske stoffer, 36 ioniseringsenergi, 120 ioner, 37

23.06.2009, 18:44

298

Forstå kjemi

jern, 33, 59 isomerer, 175 isotoper, 23, 95, 116 IUPAC, 51, 122

kvikksølv, 123, 127 metallbinding, 157 metaller, 28, 59, 117, 124, 139 metan, 45, 52, 169, 220, 223, 263 metanolsyntese, 258 molekyl, 23 molekylvekt, 23 molekylvekt, 23 molekylvekt , 72, 87 monomer, 193 monazitt, 31

K2Cr2O7 , 255 Kekule, 154, 158 parafin, 219, 260 keton, 46 KMnO4, 255 krypton, 108 melkesyre, 177 laktose, 180 lasere, 235 Lavoisier av kjemisk bly, 320 blybatteri, 9 25 blybatterier , 251 sitron, 6, 55 Lewis, 146 Lewis-syre, 156 Lewis-base, 156 lignin, 63 limonen, 6, 55 væsker, 56 LNG, 218 lode-stein, 59 lone-par, 151, 161 LPG, 2618 magnesium, 2618 magnesium oksid, 138 magnetbånd, 60 magneter, 59, 118 mangandioksid, 18, 30 margarin, 258 massetall, 95 materialer, 59 membran, 88 Mendeleyev, 103, 105

b735_Index.pmd

298

nanomaterialer, 59 naturgass, 216 neem, 3 nøytroner, 94 Newland, 102 nitrogen, 75, 144, 153 nitrogensyklus, 77 nitrogenase, 259, 261 nitrogenfiksering, 76 edelgasser, 108, 113 noble, 111 noble ikke-bindende par, 151, 161 ikke-metaller, 117, 124, 139 kjerneenergi, 205, 224 nukleofil, 243 ernæring, 72 nylon, 62, 193, 269 hav, 87 oktettregel, 1347 optisk aktivitet, 1347 oransje , 54 orbital, 97, 147 malmer, 30 organiske, 48 organometalliske, 265 Orlon, 62 oksidasjon, 245, 250 oksidasjonstall, 254

23.06.2009, 18:44

Indeks oksygen, 18, 75, 144, 153 ozon, 76, 155, 239 ozonlag, 76, 81

proton, 94 PVC, 62, 194 kvantenummer, 95, 97

papain, 262 paracetamol, 191 paramagnetisk, 118 parafiner, 45 Pauling, 188, 283 p-blokkelementer, 114 penicillin, 191 periodisitet, 119 periodiske system, 103, 122 perioder, 103 bensin 1 kjemikalie, 9 reaksjon, 6, 21 239 fotokjemisk smog, 239 fotografering, 238 fotosyntese, 212, 235, 239 solcelle, 222 pi-binding, 170 Planck-konstant, 96 plast, 60 p-orbital, 98, 147, 165 polare forurensninger, 779 forurensninger, 779 polyatomiske ioner, 37 polykarbonat, 60 polyester, 249 polyetylen, 62, 194 polymerer, 60, 193 polymerisasjon, 249 polypropylen, 62 polystyren, 62 polyuretan, 62, 250 porfyrin, 179 kaliumjern, 71 oksalat, 8

b735_Index.pmd

299

racemisk blanding, 178 radioaktivitet, 109 reaksjonshastigheter, 231 hastighetskonstant, 234 rayon, 268 reaksjonsmellomprodukt, 242 reaksjonsmekanisme, 242 reaksjonshastighet, 231 reaksjoner, 243 redokspotensialer, 253 redoksreaksjoner, 250 reduksjon, 25046, 25046, 25046 , 250 resonans, 154 reserpin, 3 raketter, 70 gummi, 64, 250 Rutherford, 94 sand, 41 s-blokkelementer, 114 Seaborg, 115 sjøvann, 87 sigma bond, 145 silika, 41 silisium, 20, 25, 25 enkeltbinding, 145, 153 smog, 239 såpe, 3, 61 natrium, 15 natriumklorid, 58, 137 solcelle, 60, 222 solenergi, 212, 222 solvasjon, 237 s-orbital, 98, 157,

23.06.2009, 18:44

299

300

Forstå kjemi

spektrometer, 96 stivelse, 239 STM, 22 substitusjonsreaksjoner, 243 sukrose, 48, 180 sukker, 48, 180 sukkererstatning, 3 sol, 212 svovelsyre, 231, 257 superleder, 59 supramolekylær kjemi, 2 overflate 3 overflate, 2 overflate 6 overflate, tantal, 127 te, 74 teflon, 62 terylen, 62, 249 Thomson, 94 titan, 31 TNT, 51, 70 transform, 176 transistor, 60 overgangselementer, 117 overgangstilstand, 241 transuran 1 triader, 102 triglyser, 102 triglycer, 1

b735_Index.pmd

300

trippelbinding, 145, 153 tritium, 95 gurkemeie, 4 urea, 264 vanadium, 126 valens, 26 valenselektron, 110, 132 valensparrepulsion, 162 eddik, 48 vitaminer, 72, 181 vitamin 2, 813 vitamin 2, 813 vitamin 2, 813 vitamin B12 , 264 vitamin C, 72, 181 VSEPR, 161 vann, 83, 87, 161, 183 vannsyklus, 84 voks, 64 tre, 63, 216 Woodward, 263, 266 xenon, 108 1 zeoliter, 2 61 gjær, 2

23.06.2009, 18:44