Ämnen och reaktioner

KEMI
Ämnen och reaktioner
1+
-
1+
- -
- -
Be2+
-
9+
-
-
O22H2 + O2
2H2O
Fakta och övningar om atomens byggnad, periodiska
systemet och formelskrivning
Bertram Stenlund Fridell
This w ork is licensed under the Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 2.5 Sw eden
License. To view a copy of this license, vis it http://creativecommons.org/licenses/by -nc-sa/2.5/se/ or send a
letter to Creative Commons, 444 Castro Street, Suite 900, Mountain View, California, 94041, USA.
Atomen
I periodiska systemet finns alla grundämnen
samlade. Varje grundämne består av endast en
sorts atomer. Det finns ca 100 grundämnen.
Inom kemin använder man förkortningar för
att beskriva de olika grundämnena. Om
förkortningen innehåller två bokstäver, ska
den första vara stor och den andra liten.
Väte, syre, kol, kväve, svavel och beryllium
är exempel på grundämnen.
O
C
H
N
Be
S
Atomkärna med
protoner (+) och
neutroner (0)
-
-
-
-
-
-
-
Elektronerna i det yttersta skalet kallas för
valenselektroner.
I en atom finns det alltid lika många
elektroner som det finns protoner. Då det är
lika många minusladdade partiklar som
plusladdade blir hela atomen oladdad.
Uppgifter
Valenselektron (-)
8+
Runt kärnan cirklar negativa elektroner i olika
elektronskal.
De olika elektronskalen rymmer olika många
elektroner.
Första skalet, som kallas K-skalet, rymmer 2
elektroner.
Nästa skal, L-skalet, rymmer 8 elektroner.
M-skalet kan rymma upp till 18 elektroner,
men bara 8 om det är yttersta skalet. Det kan
finnas upp till 7 skal.
1.
Titta i en tabell eller ett periodiskt system och
para ihop rätt kemiskt tecken med rätt
grundämne uppe till vänster på sidan.
Lär dig dem utantill.
2.
Hur många elektroner har en natriu mato m med
11 protoner?
3.
Hur många elektronskal har natriu mato men?
4.
Hur många valenselektroner har natriu mato men?
5.
Rita en modell av en kväveatom med sju
protoner i kärnan.
6.
Rita en magnesiumato m med 12 protoner i
kärnan.
K-skalet rymmer
max 2 elektroner
L-skalet rymmer
max 8 elektroner
Syreatom med 8 positiva protoner
och 8 negativa elektroner
Alla atomer har en atomkärna. I kärnan finns
protoner som är positivt laddade. Det finns
även neutrala neutroner.
Väteatomens radie: 0,000 000 000 032 m eller 3,2 · 10-11 m eller 32 pm
Atomkärnans radie är 1/10 000 av atomen radie
Uppskattat antal atomer i universum:
100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 00
0 000 000 000 000 000 000 eller 1080
Ämnen och reaktioner
Bertram Stenlund Fridell CC BY-NC-SA
3
Periodiska systemet är indelat i grupper och
perioder. Ämnen med lika många elektronskal
tillhör samma period. Ämnen i samma grupp
har lika många elektroner i yttersta skalet
(valenselektroner).
Perioder
Grupper
Varje atom har ett atomnummer. Atomnumret
beskriver hur många protoner ämnet har i
kärnan. Atomnumret brukar man skriva nere
till vänster om ämnets kemiska förkortning.
Väte har alltså en proton och beryllium
fyra.
2
1H
8
4Be
Man kan också ange en atoms masstal.
Masstalet beskriver hur många protoner och
neutroner det finns i kärnan sammanlagt.
Masstalet brukar man skriva uppe till vänster
om ämnets kemiska förkortning.
I exemplet nedan har väte två partiklar i
kärnan och beryllium fyra. Eftersom vi på
atomnumret ser hur många av dessa som är
protoner vet vi att väte har en neutron och
beryllium fyra neutroner i vårt exempel.
2
1H
8
4Be
Uppgifter
Använd ett periodiskt system för att lösa följande:
7.
Vilken grupp tillhör fosfor?
8.
Hur många elektronskal har fosfor?
9.
Hur många elektroner har fosfor i varje skal?
Ett ämne kan ha olika många neutroner i
kärnan. Dessa olika ”versioner” av ett ämne
kallas isotoper, vilket är grekiska och betyder
”samma plats”. Alla isotoper av ett ämne har
lika många protoner, men skiljer sig alltså i
antalet neutroner.
Eftersom atomnumret bestämmer var i
periodiska systemet ämnet finns, så finns alla
isotoper på just ”samma plats”.
I kemiska reaktioner reagerar alla isotoper på
samma sätt, eftersom det är elektronerna som
bestämmer hur en viss atom reagerar.
Exempel
Väte har tre isotoper
1
1H
Vanligt väte med en proton
och inga neutroner i kärnan
10. Vilket atomnu mmer har silver?
Deuterium med en proton
och en neutron i kärnan
11. Vilket ämne har ato mnu mmer 82?
12. Hur många neutroner har den arsenikisotop som
har masstalet 67?
13. Vilket är ämnet so m har en isotop där kärnan har
lika många neutroner som protoner och
masstalet 58?
Ämnen och reaktioner
3
1H
Bertram Stenlund Fridell CC BY-NC-SA
2
1H
Tritium med en proton och
två neutroner i kärnan
4
Hur kan man då veta om en atom tar upp eller
avger elektroner? Jo, atomen gör alltid det
som är ”lättast”, dvs har den tre elektroner i
yttersta skalet och har att välja mellan att ta
upp fem eller avge tre, så avger den tre.
Joner och molekyler
Alla ämnen strävar efter att få sitt yttersta
elektronskal fullt. Detta kallas
ädelgasstruktur, eftersom ädelgaserna i sista
gruppen i periodiska systemet just har sitt
yttersta skal fullt. Dessa ämnen är stabila och
reagerar inte gärna med andra ämnen. Denna
stabilitet vill alla ämnen uppnå.
En atom kan få sitt yttersta elektronskal fullt
på två olika sätt
Ämnen i grupp 1-3 avger alltid sina elektroner
och bildar positiva joner. Ämnen i grupp 5-8
tar upp elektroner och bildar negativa joner.
Ämnena i grupp 4 kan antingen ta upp eller
avge fyra elektroner.
1. Molekylföreningar
Två eller flera atomer delar på sina elektroner,
t.ex. i vätgas eller vatten.
I en jonförening finns alltid positiva och
negativa joner. Då olika laddningar dras till
varandra hålls ämnen ihop av dessa krafter.
-
Exempel
Bildandet av Natriumklorid, NaCl
En väteatom har en elektron i Kskalet. Den behöver en elektron till
för att få det skalet fullt.
1+
1+
-
Natriumatom
-
1+
-
Två väteatomer slår sig då ihop och
delar på elektronerna. De bildar då
en vätgasmolekyl, H2
-
- -
11+
- -
Kloratom
-
-
-
-
- -
-
-
-
- -
- -
17+
- -
-
-
-
Natrium har en valenselektron
2. Jonföreningar
som den vill bli av med för att
En atom kan lämna ifrån sig sina
få yttersta skalet fullt.
valenselektroner till en annan atom. Då
försvinner ju det yttersta skalet och nästa skal
är redan fullt. Eftersom atomen lämnar ifrån
sig elektroner, som är negativa, bildas en
positivt laddad jon. Laddningen sätter man ut
i övre högra hörnet av den kemiska
Natriumjon Na +
förkortningen.
En atom som tar upp elektroner för att fylla
- yttersta skalet bildar då negativa joner.
11+
-
H
+
O2-
Ämnen och reaktioner
Be
Cl-
2+
- -
-
-
Natriumjonen har 10 elektroner
och har då en positiv laddning
mer än negativa. Den får den
totala laddningen +1 och skrivs
Na +
Bertram Stenlund Fridell CC BY-NC-SA
Klor har sju
valenselektroner och vill
alltså ta upp en elektron för
att få yttersta skalet fullt.
Kloridjon, Cl-
-
-
- -
-
- -
- -
17+
- -
-
-
-
-
Kloridjonen har 18 elektroner
och har då en negativ laddning
mer än de positiva. Den totala
laddningen blir –1 och jonen
skrivs Cl -
5
Ämnen i tal och skrift
Om man ska en reaktionsformel finns det
vissa regler för hur man ska skriva.
Man anger den minsta mängden av varje
ämne som ingår i reaktionen.
Man anger hur många atomer eller molekyler
av ämnet som reagerar. Antalet atomer eller
molekyler anger man genom att sätta en siffra
framför den kemiska förkortningen.
O betyder en atom av syre.
Ska man i ord beskriva hur en viss molekyl är
uppbyggd använder man speciella räkneord.
Man säger då först hur många av ett visst
atomslag molekylen består av och sedan
vilken atom det är.
Räkneorden som används är
1 – mono
2 – di
3 – tri
4 – tetra
5 – penta
6 – hexa
Observera att man sätter räkneordet för ämnet
först när man säger det, men skriver siffran
efter i formeln. (se exempel nedan)
2O betyder två atomer av syre.
Vissa ämnen är uppbyggda så de består av
flera atomer i grupp, så kallade molekyler.
Den kemiska förkortningen för molekylen
skrivs genom att man efter varje atomslag
nere till höger skriver antalet. Siffran 1 skrivs
aldrig ut.
Behöver man flera av en sorts molekyl sätter
man siffran framför, precis som ovan.
Svaveldioxid
SO2
Diväteoxid (Vatten)
H 2O
Dikvävetrioxid
N 2O3
Uppgifter
O2 betyder en syremolekyl.
20. Hur skriver man fem mo leky ler syre?
2O2 betyder två syremolekyler.
H2O En vattenmolekyl består av två
21. Hur skriver man formeln för ämnet som
innehåller tre magnesiu matomer och två kväve?
väteatomer och en syreatom.
22. Vad är det kemiska namnet för ämnet ovan?
C2H6 Etan består av två kolatomer och sex
23. Skriv det svenska namnet för fö ljande ämnen:
a. CO2
b. MgO
c. Al2 O3
d. Cu 2 O
väteatomer.
Uppgifter
14. Hur skulle man skriva jonen som kalciu m
bildar?
15. Hur skriver man en bro midjon med kemiska
tecken?
24. Skriv formeln för fö ljande ämnen:
a. trijärntetroxid
b. alu miniu mtriklorid
c. dikvävepentoxid
16. Rita en fosfidjon
17. Rita en berylliu mjon
18. Skriv forme ln för den kemiska förening som
består av två lit iu matomer och en syreatom.
19. Hur skriver man fyra molekyler av ämnet ovan?
Ämnen och reaktioner
Bertram Stenlund Fridell CC BY-NC-SA
6
Formelskrivning
Avancerad formelskrivning
När man ska skriva en formel börjar man med
att lägga ihop de ämnen som ingår i
reaktionen med ett plustecken mellan sig.
Man tar bara med de atomer och molekyler
som reagerar med varandra.
Därefter ritar man en pil och sedan de ämnen
som bildas. Är det fler ämnen som bildats så
skriver man plustecken mellan dem också.
Vid lite mer avancerade reaktioner finns det
fler saker att hålla reda på för att formeln ska
stämma.
Ex. Vätgas reagerar med syrgas och bildar
vatten
Med kemiska tecken blir det:
H2 + O2
H2O
Om man räknar atomerna på varsin sida av
pilen får man två väte och två syre på vänster
sida och två väte och ett syre på höger sida.
Det fattas alltså ett syre på höger sida.
Eftersom ämnen inte bara kan försvinna
plötsligt måste vi balansera formeln.
Detta löser man genom att sätta en tvåa
framför vatten, dvs så man får två
vattenmolekyler
H2 + O2
2H2O
2H2O
Vi kontrollräknar:
Vänstersidan: 4 vät eatomer, t vå syreatomer.
Högersidan: 4 väteat omer, t vå syreatomer.
Formeln är balanserad!
Ämnen och reaktioner
Vi vet alltså att litium regerat med vatten och
bildat hydroxidjoner och vätgas. Litiumet har
övergått till jonform. Litium finns i grupp 1
och bildar alltså en positiv jon, Li+
Formeln ser alltså ut:
Li + H2O
Li+ + OH- + H2
Om vi börjar räkna antalet väte ser vi att det
finns två väteatomer till vänster och tre till
höger.
Om vi sätter en tvåa framför vattenmolekylen
och en tvåa framför hydroxidjonen stämmer
antalet atomer på båda sidorna.
Li + 2H2O
Li+ + 2OH- + H2
Nu är det fyra väte och två syre på båda
sidorna.
Räknar vi nu så stämmer syreatomerna, men
vi har fått två väteatomer för lite till vänster.
Då sätter vi en tvåa framför vätemolekylen till
vänster.
2H2 + O2
Om man lägger en litiumbit i vatten regerar
den kraftigt och fräser ett tag innan litiumet
verkar ha försvunnit. Om man droppar en
indikator i vattnet visar det sig att lösningen
är basisk. Alla baser innehåller hydroxidjoner
(OH-)
Genom att göra knallgasprovet kan man även
komma fram till att det bildats vätgas.
I och med att det i reaktionen ingår laddade
joner så måste vi nu kontrollera att det är
samma laddning på båda sidorna.
På vänstersidan är både litium och vatten
oladdat, så den totala laddningen där är 0. På
högersidan har vi en positiv litiumjon och två
negativa hydroxidjonen. Den totala
laddningen på högersidan är alltså –1.
Vi behöver alltså en positiv jon till på
högersidan. Detta får vi genom att sätta en
tvåa framför litium. Då fattas det ju en litium
på vänstersidan också. Vi sätter då en tvåa
framför litium där också.
2Li + 2H2O
2Li+ + 2OH- + H2
Nu är formeln balanserad både vad gäller
antalet av varje ämne och laddningarna.
Bertram Stenlund Fridell CC BY-NC-SA
7
Exempel 2
Aluminium reagerar med syre
Uppgifter
Balansera reaktionsformlerna:
25. Cu + O2
Cu O
26. Cu + O2
Cu 2 O
27. Al + O2
Al2 O3
28. P + O2
P2 O5
29. P2 O5 + H2 O
30. H2 O2
Aluminium har tre valenselektroner, syre har
sex stycken.
Aluminium vill alltså avge tre elektroner och
syre ta upp två.
Man får då titta på minsta gemensamma
multipeln för de båda, som i detta fallet är 6,
eftersom man kan dela 6 med både 3 och 2.
Vi ska alltså ha 6 avgivna och 6 upptagna
elektroner. Vi behöver då två
aluminiumatomer (2 · 3 = 6) och tre
syreatomer (3 · 2 = 6).
H3 PO4
H2 O + O2
31. CO2 + H2 O
H2 CO3
32. N2 O5 + H2 O
HNO3
33. CO2 + H2 O
C6 H12 O6 + O2
34. CH4 + O2
CO2 + H2 O
35. FeS2 + O2
Fe + SO2
Det nya ämnet kommer alltså att bestå av två
aluminiumatomer och tre syreatomer, dvs
Al2O3
Formel:
Al + O2
Al2O3
Vad bildas?
För att ta reda på vad som bildas när två
ämnen reagerar använder vi oss av periodiska
systemet.
Och så balanserar vi lite:
Exempel
Natrium reagerar med syre
Vi ser att natrium finns i grupp 1 och har
alltså en elektron i yttersta skalet.
Syre finns i grupp 6 och har alltså sex
elektroner i yttersta skalet.
Klart! Pust!
4Al + 3O2
2Al2O3
Uppgifter
Skriv balanserade formler för reaktioner mellan
följande ämnen.
Dessa ämnen ska nu reagera och fylla
varandras yttersta skal.
36. Kaliu m och fluor
Syre behöver ju två elektroner till för att få
yttersta skalet fullt, men natrium har ju bara
en valenselektron. Därför behövs två
natriumatomer för att kunna fylla syrets
yttersta skal.
38. Bery lliu m och kväve
37. Magnesium och jod
39. Natriu m och fosfor
40. Bor och svavel
Det nya ämnet kommer alltså att bestå av två
natriumatomer och en syreatom, dvs Na2O
Om vi skriver formel:
Na + O2
Na2O
Sen måste vi ju balansera formeln. Då ser den
ut såhär:
4Na + O2
Ämnen och reaktioner
2Na2O
Bertram Stenlund Fridell CC BY-NC-SA
8
Sammansatta joner
Analys – jonreagens
En typ av jonförening är salter. Den första
delen av namnet på ett salt talar om vilken
metall som ingår, dvs den positiva
metalljonen. Sista delen av namnet avslöjar
vilken syra som har fått reagera med metallen,
dvs den negativa jonen i syran.
När man vill analysera en lösning med joner
använder man sig av en reagens. Genom att
vissa joner tillsammans bildas olösliga
föreningar, grumlas lösningen om just dessa
joner träffar på varandra. Man får en fällning.
Exempel
Exempel
Om natrium får reagera med saltsyra bildas
natriumklorid.
Om man blandar i silvernitrat i en lösning
med kloridjoner (t.ex. natriumklorid) förenar
sig silverjonerna med kloridjonerna till
silverklorid. Silverklorid är svårlösligt och det
bildas då en fällning.
Enkla negativa joner skrivs som atomnamnet
med ändelsen –id.
T.ex. klor bildar kloridjoner
På samma sätt kan man påvisa sulfatjoner
med hjälp av bariumklorid.
Flera salter innehåller sammansatta joner, dvs
joner som består av flera atomer som sitter
ihop.
Blandar man en syra i en lösning med
karbonatjoner bildas kolsyra som sen
sönderfaller till vatten och koldioxid. Det
bildas då små bubblor.
Salter från svavelsyra (H2 SO4 ) kallas sulfater
Salter från salpetersyra (HNO 3 ) kallas nitrater
Salter från kolsyra (H2 CO 3 ) kallas karbonater
Salter från fosforsyra (H3 PO4 ) kallas fosfater
I en jonförening ska de positiva och negativa
jonerna ta ut varandra så att föreningen blir
oladdad.
Silvernitrat kan användas som reagens på kloridjoner
(fälln ing)
Bariumkloridlösning kan användas som reagens på
sulfatjoner (fälln ing)
En syra kan användas som reagens på karbonatjoner
(kold io xidbubblor)
Atommassa
Exempel
Natriumjonen är envärt positiv (grupp 1 –
lämnar ifrån sig en elektron). Sulfatjonen är
tvåvärt negativ (SO 4 2-).
När jonföreningen natriumsulfat bildas
behövs då två natriumjoner för att väga upp
de negativa laddningarna i sulfatjonen.
Formeln blir då Na2 SO4 .
Uppgifter
46. Använd rutan ovan och skriv en lista på hur de
olika sammansatta jonerna tecknas med kemiska
tecken och laddning.
47. Skriv den kemiska fo rmeln för natriu mkarbonat.
48. Skriv den kemiska formeln för kalciu mklo rid
49. Vad är det kemiska namnet på CaCO3 ?
Väte är det lättaste grundämnet. Den består av
en proton och en elektron. Elektronen är så
liten i förhållande till protonen att dess massa
är försumbar.
Detta innebär att en väteatom väger ungefär
lika mycket som en proton.
Genom olika metoder har man lyckats
bestämma massan av väte till
0,00000000000000000000000167 gram.
Genast ser man att det är opraktiskt att
använda enheten gram vid kemiska
beräkningar. Därför har man infört en särskild
enhet för atommassa.
Den kallas den universella massenheten och
betecknas u (jfr engelska ”unit”).
Definition: 1960 beslutades att massan för en
atom kol-12 ska vara exakt 12 u.
1u är alltså 1/12 av massan av en atom kol-12.
Ämnen och reaktioner
Bertram Stenlund Fridell CC BY-NC-SA
9
Massan för en väteatom blir då 1 u.
En neutron väger ungefär lika mycket som en
proton, dvs 1 u.
En elektron väger bara 0,00055 u, vilket är så
pass lite att man alltså bortser från elektronens
massa.
Ett ämnes atommassa är alltså massan hos
alla protoner och neutroner i kärnan.
Formelmassa
Den kemiska formeln för ett ämne beskriver
hur många atomer det finns av varje ämne.
I vatten (H2 O) finns t.ex. två väteatomer (1u)
och en syreatom (16u).
Den totala formelmassan för vatten blir då
1+1+16=18u.
Med hjälp av formelmassan kan man räkna ut
hur många procent ett visst grundämne utgör
av en kemisk förening.
Exempel
Beräkna hur många procent zink det finns i
zinkoxid (ZnO).
Zink har atommassan: 65 u
Syre har atommassan: 16 u
Zinkoxid har formelmassan 65u + 16u = 81u.
65
Halten zink =
0,80 = 80%.
81
Uppgifter
Använd en lista med ato mmassor och en miniräknare
för att lösa dessa uppgifter:
50. Ange atommassan (i enheten u) för följande
ämnen:
a. Väte
b. Syre
c. Koppar
d. Magnesium
e. Gu ld
f. Zink
g. Kol
51. Skriv den kemiska formeln och beräkna
formelmassan för följande ämnen:
a. Koldio xid
b. Kolmono xid
c. Kalciu mo xid
d. Ammoniak
e. Svavelsyra
f. Etanol
52. Hur många procent brom finns i natriu mbro mid
(NaBr)?
53. Skriv den kemiska formeln för metan och beräkna
hur många procent kol det finns i metan.
Ämnen och reaktioner
Substansmängd
När en kemisk förening bildas förenas alltid
atomerna i bestämda proportioner. T.ex.
bildar kol och syrgas koldioxid enligt formeln
C + O2
CO2
Vätgas och syrgas bildar vatten:
2 H2 + O2
2 H2O
För att bilda en ammoniakmolekyl, NH3
behövs tre kväveatomer och en syreatom.
När man ska bilda kemiska föreningar
behöver man väga upp bestämda mängder av
de ämnen som ska reagera. Tar man för
mycket av något ämne kommer inte alla
atomer att reagera.
För att slippa sitta och väga atomer har man
infört en enhet som kallas mol.
Denna beskriver hur stor substansmängd
(ungefär antal partiklar) något innehåller.
1 mol motsvarar 6 000 000 000 000 000 000
000 00 (6 • 1023 ) partiklar av ett ämne. Med
partiklar menas atomer, molekyler och joner.
1 mol H2 O är alltså 6 • 1023 vattenmolekyler.
1 mol svavel är 6 • 1023 atomer av svavel.
Detta antal har man valt för att 1 mol av ett
ämne alltid väger lika många gram som
formelmassan anger.
Exempel
1 molekyl vatten har formelmassan 18u.
1 mol vatten väger 18 g.
Molmassan för vatten är 18 g.
Uppgifter
54. Skriv den kemiska formeln för natriu mhydroxid
och beräkna formelmassan.
55. Vad är mo lmassan för natriu mhydro xid?
56. Hur många mo l är 120 g natriu mhydroxid?
57. Hur stor massa (i gram) har
a. 1 mo l neon?
b. 1,5 mo l kaliu m?
58. Beräkna
a.
b.
c.
Bertram Stenlund Fridell CC BY-NC-SA
massan (i gram) av
3 mo l silver
0,5 mo l bly
0,02 mol guld
10
Hur mycket ska man väga upp?
När järn ingår en kemisk förening med svavel
bildas järnsulfid (FeS). Varje järnatom binds
samman med en svavelatom. Om man ska
tillverka en mol järnsulfid behövs alltså en
mol järn och en mol svavel.
Atommassan för järn är 56u och för svavel
32u.
Då är molmassan för järn 56 g och för svavel
32 g.
För att tillverka en mol järnsulfid behöver
man alltså väga upp 56g järn och 32g svavel.
Uppgifter
59. Vi ska tillverka natriu mjodid. Vi väger upp 46 g
natrium.
a. Hur många mo l är 46 g natriu m?
b.
Hur många mo l jod behövs om allt
natrium ska förena sig med allt jod?
c.
Hur många gram jod behövs då?
d.
Hur många gram natriu mjodid bildas?
60. Beräkna substansmängden i 10 g kalciu m.
61. Substansmängden 0,3 mol av ett grundämne har
massan 2,7 g.
a. Hur stor är ämnets molmassa (g/mo l)?
b. Vilket är ämnet?
62. Beräkna massan i gram av det tenn som innehåller
lika stor substansmängd som 13,5 g alu min iu m.
Ämnen och reaktioner
Bertram Stenlund Fridell CC BY-NC-SA
11