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