Kapitel 5: Kemiske metoder
KAPITEL 5 Kemiske metoder DEN NATURVIDENSKABELIGE METODE SALTE ANALYSE OG RENSNING KEMI OG ELEKTRICITET CAFE KOSMOS: SALT REDDER LIV Ofte hører man i medierne, at der er fundet et sundhedsfarligt stof i fx mad, kosmetik, legetøj eller andet. Det er kemikere, der ved en analyse, har fundet det farlige stof. Kemikerne hjælper politiet med at opklare forbrydelser. Gift, blod, tråde fra tøj, maling fra biler og jord på skoene kan analyseres for at afgøre, om en person er skyldig eller uskyldig. En kemiker skal være som en god detektiv, der lader alle muligheder stå åbne, indtil sagen er undersøgt til bunds. Kemikere, fysikere og andre naturvidenskabelige forskere har en måde at arbejde på, der kaldes den naturvidenskabelige metode. Har saltlakrids noget med køkkensalt at gøre? Hvad er analyse i en dansktime – og i en kemitime? Kan man fjerne sukkeret i en sodavand? Hvad er destilleret vand? Hvordan lægger man et tyndt lag guld på et billigt metal, så man tror, at det hele er guld? 91 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Den naturvidenskabelige metode Den naturvidenskabelige metode bruges inden for de naturvidenskabelige fagområder, specielt fysik og kemi. Man bør altid bruge denne metode ved eksperimentelt arbejde. Ved at bruge den naturvidenskabelige metode har vi udviklet biler, fly, radio, fjernsyn, telefon og alle andre tekniske hjælpemidler. Kosmetik, medicin og sundere mad er også udviklet ved brug af den naturvidenskabelige metode. Opfinderen af den naturvidenskabelige metode Francis Bacon, engelsk filosof (1561-1626). Francis Bacon har beskrevet, hvordan man bør arbejde eksperimentelt. Det kaldes i dag ”den naturvidenskabelige metode”. Englænderen Francis Bacon beskrev for fire hundrede år siden nogle metoder, der senere er blevet kaldt “den naturvidenskabelige metode”. Bacon mente, at al viden udelukkende skal komme fra iagttagelser og resultater af eksperimenter. Det er ikke godt nok at læne sig tilbage i stolen og tænke over naturens opbygning. Man er nødt til at udføre eksperimenter. Ellers kan man ikke finde naturens sande opførsel. Rækkefølgen i den naturvidenskabelige metode Naturvidenskabelig tænkning 1. “Det er underligt …“ 2. “Hvad sker der, hvis …“ 3. “Jeg tror, at svaret er …“ 4. “Man kunne jo prøve, at …“ 5. “Jeg vil kun undersøge én ting ad gangen“ 6. “Jeg laver et forsøg“ 7. “Resultaterne viser, at …“ 8. “Så var min antagelse rigtig/forkert“ Den naturvidenskabelige metode begynder med, at man ser noget og undrer sig. Man stiller et spørgsmål, der ved at blive besvaret, kan give svaret på det, man undrede sig over. Svaret på spørgsmålet kalder man en antagelse eller en hypotese. Herefter udtænker man et eksperiment, der kan vise, om antagelsen er rigtig eller forkert. I eksperimentet må man kun undersøge én ting ad gangen. Når eksperimentet er udført, ser man på resultatet af eksperimentet. Hvad bliver konklusionen? Er antagelsen bekræftet? Man har altså gennemført en undersøgelse for at efterprøve en antagelse. Resultatet har vist, om antagelsen var rigtig eller forkert. Det skaber straks nye spørgsmål, som “Hvad ved jeg nu?” Det kan give baggrund for ny undren, hvor man kan stille spørgsmålet “Hvad nu hvis ...?”. Herved er man allerede inde i næste omgang af den naturvidenskabelige metode. Det nye spørgsmål kan føre til en ny antagelse, som kan afprøves ved et eksperiment. Det kan så vise, om den nye antagelse er rigtig eller forkert. Kopiark 5.1 og 5.2 92 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Den naturvidenskabelige metode anvendt på rødkål Ved tilberedning af rødkål bruger man snittet rødkål, æbler, eddike, ribssaft, sukker og salt. Rødkål er rødviolet, men ved sammenblanding af stofferne skifter rødkålen farve til rød. Undren: Spørgsmål: Antagelse: Eksperiment: Resultat: Konklusion: Nogle gange er rødkål rødviolet, men den kan også være rød. Er årsagen til den røde farve et stof, som man tilsætter rødkålen? Hvis man tilsætter sukker, bliver rødkålen rød. Man tilsætter sukker og kun sukker til rødkål. Rødkålen ændrer ikke farve. Det kan altså ikke være sukker, der farver rødkål rød. Ny antagelse: Nyt eksperiment: Resultat: Konklusion: Det kan være salt, der får rødkålen til at blive rød. Man tilsætter salt og kun salt til en ny portion rødkål. Rødkålen ændrer ikke farve. Det er heller ikke salt, der farver rødkål rød. Ny antagelse: Nyt eksperiment: Resultat: Konklusion: Undren: Det kan være eddike, der får rødkålen til at blive rød. Man tilsætter eddike og kun eddike til en ny portion rødkål. Rødkålen bliver rød. Eddike farver rødkål rød. Den sidste antagelse var rigtig, men nu melder en ny undren sig. Bliver rødkålen rød, fordi det netop er eddike, vi hælder i, eller er det fordi, eddike er en syre? Det var spørgsmålet. Nu kommer antagelsen. Antagelse: Nyt eksperiment: Resultat: Konklusion: Undren: Det er ikke alle syrer, men kun eddike, der giver rødkål en rød farve. Man hælder et andet surt stof, fx citronsaft, ned i en ny portion rødkål. Rødkålen bliver rød. Det er altså sure stoffer som eddike og citronsaft, der farver rødkål rød. Nu kan man undre sig over, om det er alle syrer, der farver rødkål rød. Det kan man efterprøve ved nye eksperimenter. 93 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Nogle variable i fysik og kemi Navn Symbol En mulig værdi Længde l 2m Rumfang V 1 m3 Masse m 0,5 kg Tid t 10 s Fart v 5 m/s Temperatur T 20 °C Energi E 1000 J Strømstyrke I 0,2 A Nyttige oplysninger Den naturvidenskabelige metode benytter eksperimenter til at bekræfte eller afkræfte en antagelse (hypotese). Variable har en værdi. En uafhængig variabel får sin værdi fastlagt ved starten af et eksperiment, dvs. vi bestemmer værdien. En afhængig variabel viser først sin værdi under eller efter et eksperiment. Variable I fysik og kemi gør man observationer. Man holder fx øje med farverne, og man måler med forskellige instrumenter, fx et måleglas eller et amperemeter. Det man ser, og det man måler, kaldes variable, og de har en værdi. Fx kan variablen farve have værdierne: rød, grøn, blå osv. Hvis man bruger et måleglas, er rumfanget en variabel. Værdien for denne variabel kan fx være 21 mL. Måler man pH-værdien, er pH-værdien en variabel. Værdien kan ligge fra 0 og op til 14. Afhængige og uafhængige variable Ved mange eksperimenter er det naturligt at dele de variable op i afhængige og uafhængige variable. Når det er os, der ved starten af et eksperiment bestemmer værdien af en variabel, er den en uafhængig variabel. Hvis vi vil undersøge svingningstiden for et pendul, er det os, der bestemmer, hvor lang snoren skal være. Vi kan måle længden af snoren, inden eksperimentet startes. Pendullængden er derfor en uafhængig variabel. Den målte længde er værdien af denne uafhængige variabel. Når vi sætter pendulet i gang, kan vi måle svingningstiden. Den er også en variabel. Gør vi pendulet længere, viser det sig, at svingningstiden også bliver længere. Svingningstiden afhænger altså af længden af pendulet, og derfor er svingningstiden en afhængig variabel. Værdien af den afhængige variabel afhænger af værdien af den uafhængige variabel. Værdierne kan sættes ind i et skema, fx som dette: Længde af pendul/m Svingningstid/s 1,0 2,0 2,0 2,8 I et andet forsøg hælder man syre fra et måleglas ned i noget vand og måler pH-værdien. Det er os, der bestemmer, hvor meget syre vi hælder i. Rumfanget af syren er derfor den uafhængige variabel, mens pH-værdien er den afhængige variabel. Hvis vi drypper lidt af opløsningen på noget indikatorpapir, så bliver det farvet. Her er indikatorpapirets farve en afhængig variabel. Dens værdi, nemlig farven, bestemmes af den uafhængige variabel, pH-værdien i opløsningen. Kopiark 5.3 og 5.4 94 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Salte Når man taler om salt, mener man normalt køkkensalt. Det kemiske navn for køkkensalt er natriumchlorid, og det har den kemiske formel NaCl. Men ordet “salt” er i kemien ikke kun et navn for et enkelt stof. Det er betegnelsen for en gruppe af stoffer. Køkkensalt er således bare et af mange salte. Opbygningen af køkkensalt Køkkensalt er stoffet natriumchlorid, NaCl, men det er ikke opbygget af neutrale natrium- og chlor-atomer. Køkkensalt er opbygget af positive natrium-ioner, Na+, og negative chloridioner, Cl –. Natrium-ionen dannes, når et atom af metallet natrium afgiver en elektron. Reaktionen kan skrives: Na Cl natrium-atom chlor-atom Et natrium-atom kan afgive en elektron til et chlor-atom. Natrium-atomet bliver til en natrium-ion, Na+. Chlor-atomet bliver til en chlorid-ion, Cl –. Na ➝ Na+ + en elektron Chlorid-ionen dannes, når et atom af ikke-metallet chlor optager en elektron. Reaktionen kan skrives: Cl + en elektron ➝ Cl– Ionerne dannes, fordi atomerne herved får samme antal elektroner som en ædelgas. Ædelgasserne er de grundstoffer, der står i 8. hovedgruppe i det periodiske system. Ædelgasserne har deres yderste elektronskal helt fyldt op. Helium-atomet, grundstof nr. to, har første skal fyldt helt op. Der kan være to elektroner. Den næste ædelgas er neon, grundstof nr. 10. Atomet har to elektroner i første skal, og otte elektroner i anden skal. Hermed er anden skal fyldt helt op, da der kan være netop otte elektroner. En ion bliver altså særlig stabil, når den har samme elektronfordeling som en ædelgas. Denne erfaring kaldes ædelgasreglen. Da køkkensalt er opbygget af ioner, burde formlen egentlig skrives Na+Cl–, men man skriver NaCl, det er nemmere. Køkkensalts iongitter Alle salte er opbygget af ioner, dvs. positive og negative ioner. I en krystal af natriumchlorid holdes natrium-ionerne og chlo- 95 Natriumchlorids iongitter Natrium-ionerne er tegnet sølvfarvede og chlorid-ionerne grønne. Stregerne mellem kuglerne forestiller den kemiske binding mellem ionerne. I virkeligheden er natrium-ionerne kun halvt så store som chlorid-ionerne, og ionerne støder helt op til hinanden. Derfor er den nederste tegning nærmere virkeligheden. KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Nogle positive ioner i salte Na+ + natrium-ion kalium-ion K + Ag sølv-ion Ca2+ calcium-ion Mg2+ magnesium-ion 2+ zink-ion 3+ aluminium-ion Zn Al rid-ionerne sammen af den elektriske tiltrækning mellem de positive og de negative ioner. Der er lige mange positive og negative ioner. I alle retninger i hele krystallen er der skiftevis en positiv og en negativ ion. Det kaldes et iongitter. Alle salte holdes sammen i iongitre. På tegningen af natriumchlorids iongitter kan man se, at hver natrium-ion er omgivet af i alt seks chlorid-ioner: fire i samme plan, en lige over, og en lige under. På samme måde er hver chlorid-ion omgivet af seks natrium-ioner. Det gælder selvfølgelig ikke på krystallens overflade, men for ionerne inde i krystallen. Fx indeholder en én millimeter stor saltkrystal næsten 1020 ioner, dvs. 100 000 000 000 000 000 000 ioner. Tallet er så stort, at det svarer til at tælle alle sandkorn langs Jyllands vestkyst – fra syd til nord. De positive ioner i salte Salmiak i slik Saltlakrids er populært i de nordiske lande, i Nordtyskland, Holland og i de baltiske lande. Der er ikke køkkensalt i saltlakrids, men en anden form for salt, ammoniumchlorid, NH4Cl, der ofte kaldes salmiak. Saltlakrids er en form for lakrids, der indeholder op til 8 % ammoniumchlorid. Det har en speciel krydret smag. Hvor det almindelige lakrids har mange gode egenskaber, så er ammoniumchlorid ikke sundt. I de fleste salte er den positive ion en metal-ion. I salte findes dog en positiv ion, der ikke er en metal-ion. Det er en ammonium-ion, NH4+. Den er opbygget af et nitrogen-atom og fire hydrogen-atomer. Denne ion findes fx i saltet ammoniumchlorid, NH4Cl, der også kaldes salmiak. Dette salt smager af lakrids, og det findes i mange former for slik. De negative ioner i salte De negative ioner i salte kommer ofte fra en syre. Fx kommer chlorid-ionen, Cl–, i køkkensalt fra saltsyre, HCl. Chloridionen kaldes syreresten fra saltsyre, dvs. det der er tilbage, når saltsyren har afgivet sin hydrogen-ion, H+. På samme måde findes syreresten fra andre syrer ved at fjerne hydrogen-ionerne fra syren. Svovlsyre har formlen H2SO4, og man finder formlen for syreresten ved at fjerne de to hydrogen-ioner. Tilbage er ionen SO42–, en sulfat-ion. Nogle negative ioner i salte Ionen kommer fra syren Cl – chlorid-ion Saltsyre HCl 2– 4 sulfat-ion Svovlsyre H2SO4 – 3 NO nitrat-ion Salpetersyre HNO3 CO32– carbonat-ion Kulsyre H2CO3 PO43– phosphat-ion Phosphorsyre H3PO4 SO 96 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Saltes navne Navnet på et salt er sammensat. Første del er navnet på metallet, som metal-ionen kommer fra, og anden del er navnet på den negative ion. Køkkensalts kemiske navn er derfor natriumchlorid. Endelsen –id i den negative ion bruges, når der kun er et enkelt grundstof i ionen. Når grundstoffet oxygen er med i ionen bruges endelsen –at. Saltes kemiske formler Den kemiske formel for et salt bestemmes af følgende: Antallet af positive ioner og negative ioner i et salt skal være således, at den kemiske formel for saltet bliver neutral, dvs. hverken positiv eller negativ. Formlen for køkkensalt, NaCl, viser, at der er lige mange natrium- og chlorid-ioner. Forholdet er 1:1. På tilsvarende måde viser formlen for saltet calciumchlorid, CaCl2, at der i krystallerne er dobbelt så mange chlorid-ioner som calcium-ioner. Forholdet er 1:2. Den samlede ladning af de tre ioner i CaCl2 skal være nul, dvs. (ladningen af Ca 2+-ionen) + (ladningen af en Cl –-ion) + (ladningen af en Cl –-ion) = 0. I aluminiumchlorid, AlCl3, findes aluminium-ioner, Al 3+, og chlorid-ioner, Cl–. Derfor er der tre gange så mange chloridioner som aluminium-ioner. Forholdet er 1:3. Den samlede ladning af de fire ioner i AlCl3 skal være nul, dvs. (3+) + (1–) + (1–) + (1–) = 0. I sølvsulfat, Ag 2 SO4, har sølv-ionen, Ag+, en enkelt positiv ladning, mens sulfat-ionen, SO42–, har to negative ladninger. Derfor er der dobbelt så mange sølv-ioner, som sulfat-ioner. Forholdet er 2:1. Den samlede ladning i Ag2SO4 er nul. I natriumphosphat, Na3PO4, har natrium-ionen en enkelt positiv ladning, mens phosphat-ionen, PO43–, har en negativ ladning på tre. Derfor er der tre gange så mange natriumioner, som phosphat-ioner. Forholdet er 3:1. Na3PO4 er neutralt, for (+) + (+) + (+) + (3–) = 0. Kopiark 5.5 Opløsning af salte i vand Mange salte er uopløselige i vand, fx mange bjergarter. De positive og negative ioner tiltrækker hinanden så kraftigt, at vandmolekylerne ikke kan skille ionerne. Hvis bjergarterne var letopløselige, ville bjergene for længst være opløst og skyllet væk. 97 Negativ ion Saltets navn Cl– ”metalnavn”-chlorid 2– 4 ”metalnavn”-sulfat – 3 ”metalnavn”-nitrat SO NO CO32– ”metalnavn”-carbonat Nogle salte Ioner i saltet NaCl Na+ Cl – CaCl2 Ca2+ 2 Cl – AlCl3 Al3+ 3 Cl – KNO3 K+ NO3– CaCO3 Ca2+ CO32– Ag2SO4 2 Ag+ SO42– Na3PO4 3 Na+ PO43– Nyttige oplysninger Salte er sammensat af positive og negative ioner. Køkkensalt er natriumchlorid, NaCl. I et salt er den negative ion ofte en syrerest, fx SO42–. En opløsning af salt i vand kan lede elektrisk strøm. KAPITEL 5 · KEMISKE METODER EKSPERIMENT Den lysende agurk Syltede agurker ligger i en lage af eddike og vand med lidt salt i. En sikkerhedsskærm sættes op. Der sættes en kobberstang eller et stort søm i hver af to polstænger. Kobberstangen eller sømmene trykkes lidt ind i enderne af en syltet agurk. Polstængerne forbindes til netspændingen. Herefter må opstillingen ikke berøres. Lyset dæmpes i lokalet, eventuelt mørklægges det. Der tændes for strømmen. Efter kort tid lyser agurken gul. Den lugter også, men der dannes ingen sundhedsskadelige dampe. I agurken er det natrium-ionerne og chloridionerne, som bærer den elektriske strøm. Den elektriske strøm opvarmer agurken så meget, at væsken i agurken fordamper. Elektronerne i natrium-atomerne bliver anslået, og når de falder tilbage til grundtilstanden, ses den gule flammefarve fra natrium. Læs om dette på side 10 og 99. + – + – + – + – + – + – + – – – + + – – + + – – –+ + – + – + + + – – – + + + – – – + – + + + + – – + – – – + Andre salte, fx køkkensalt, NaCl, er letopløselige i vand. Når køkkensalt kommer i kontakt med vand, går ionerne fra krystallen ud i vandet. Reaktionen kan skrives: NaCl ➝ Na+ + Cl– – + Når en saltkrystal opløses i vand, rives ionerne ud af krystallen og flyder rundt mellem vandmolekylerne. De faste salte kan ikke lede elektrisk strøm, for ionerne sidder på deres pladser i iongitret, og de kan ikke flytte sig. Hvis et salt kan opløses i vand, kommer der ioner i vandet, og nu kan vandet lede elektrisk strøm. Kaliumnitrat, KNO3, er et stof, der tilsættes bacon og pastrami. Når saltet opløses i vand, dannes kalium-ioner og nitrat-ioner. Kopiark 5.6, 5.7 og 5.8 98 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Analyse og rensning Kemikere undersøger ofte ved analyser, hvilke stoffer der er i et materiale. “Er denne medicin ren nok til, at patienterne ikke tager skade?”, “Er der skadelige stoffer i maden?”. Næsten alt, hvad vi spiser, drikker eller bruger i dagligdagen, har på et eller andet tidspunkt været gennem en analyse. Kemikere kontrollerer, hvor godt man ved en rensning har fjernet bestemte stoffer i et materiale. Påvisning af ioner, flammefarve Ved hjælp af flammefarven kan man undersøge, om der er bestemte ioner i en opløsning. Man holder en dråbe af opløsningen ind i en bunsenbrænderflamme, der får forskellig farve, alt efter hvilken ion der er i opløsningen. Det er kun metalioner, der kan påvises på denne måde, men det gælder ikke alle metal-ioner. Man kan påvise ioner af natrium, calcium, kalium, kobber, lithium og strontium. I det følgende vises, hvordan man kan påvise andre ioner, blandt andet de negativt ladede ioner. I øvelserne i kopimappen er vist, hvordan man kan påvise mange flere ioner. Den gule flammefarve viser, at der er kommet natrium-ioner, Na+, ind i flammen. Påvisning af chlorid-ionen, Cl – Na+ Saltvand indeholder natriumchlorid, der er opløst som natriumioner og chlorid-ioner. Hvis man tilsætter lidt sølvnitrat, AgNO3, vil der dannes et hvidt bundfald. Bundfaldet består af sølvchlorid, AgCl. Det er tungtopløseligt. Sølvnitrat er ligesom natriumchlorid letopløseligt. I opløsningen er der sølv-ioner, Ag+, og nitrat-ioner, NO3–. Ved sammenblandingen af saltvandet og sølvchlorid-opløsningen er der fire ioner: Ag+, NO3–, Na+ og Cl–. Kun sølv-ionerne og chloridionerne reagerer med hinanden og danner det hvide bundfald, sølvchlorid. Reaktionen kan skrives: Ag + Cl ➝ AgCl + – _ Cl Ag+ Na+ AgCl Chlorid-prøve Chlorid-ioner danner bundfald med sølv-ioner. Natrium-ionerne og nitrat-ionerne reagerer ikke med andre stoffer. Sådanne ioner kaldes tilskuer-ioner. De skal ikke skrives med i reaktionen. Man skriver heller ikke vandmolekylet med i reaktionen, hvis vand ikke deltager i reaktionen. 99 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Påvisning af sulfat-ionen SO42 – Regel for kemiske reaktioner Antallet af atomer af hvert grundstof skal være det samme før og efter en reaktion. På samme måde som ved påvisning af chlorid-ioner kan man ved dannelse af et bundfald påvise mange andre ioner. Sulfationer kan påvises ved tilsætning af bariumchlorid, BaCl2, der er letopløseligt. Sulfat-ionerne danner bundfald som bariumsulfat, BaSO4, der er tungtopløseligt. Chlorid-ionerne, Cl–, er tilskuer-ioner. Reaktionen kan skrives: Ba2+ + SO42– ➝ BaSO4 Påvisning af carbonat-ionen CO32 – Når man tilsætter fortyndet saltsyre, HCl, til et stof, der indeholder carbonat-ioner, vil det begynde at bruse. Det er luftarten carbondioxid, CO2. Denne luftart kan påvises med mættet kalkvand eller med CO2-indikator. Påvisning af ammonium-ionen, NH4+ Når man tilsætter basen natriumhydroxid, NaOH, til et stof, der indeholder ammonium-ioner, NH4+, vil luftarten ammoniak, NH3, blive frigivet. Det kan lugtes. Ammoniak har en særlig lugt. Den vil man kunne huske. Når man skal lugte til et ukendt stof, gøres det ikke ved at sætte næsen ned til glasset. Man skal i stedet med hånden vifte lidt af luften over glasset hen under næsen. Efterhånden kan man tage glasset tættere på næsen. Regler for opskrivning af kemiske reaktioner Kemikere opskriver reaktionsskemaer for at beskrive, hvad der sker i en kemisk reaktion. Der skal holdes styr på antallet af atomer. For at være sikker på, at en reaktion er skrevet rigtigt, skal følgende regel overholdes: Antallet af atomer af hvert grundstof efter reaktionen skal være det samme som før reaktionen. Reglen siger, at antallet af atomer af et grundstof på venstre side af pilen skal være det samme som antallet af atomer af samme grundstof til højre for pilen. Når metallet magnesium brænder, dannes magnesiumoxid. Reaktionen kan skrives: 2 Mg + O2 ➝ 2 MgO I reaktionsskemaet er der fire atomer til venstre for pilen og 100 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Destillation af saltvand Termometer Svalerør Destilleret vand Saltvandet opvarmes i kolben. Ved kogningen fordamper vandet, mens saltet i vandet bliver i kolben. Vanddampen fortættes på sin vej gennem det kolde svalerør, der i den ydre del er fyldt med koldt vand. Ud af svalerøret kommer destilleret vand. Kolbe Kølevand fire til højre for pilen. Der er to magnesium-atomer til venstre for pilen og to til højre. Der er to oxygen-atomer til venstre for pilen og to til højre. Reaktionen er altså rigtigt opskrevet. Man må ikke kun skrive: Mg + O2 ➝ MgO, for så er der to oxygen-atomer før reaktionen og kun ét efter. Og atomer kan ikke forsvinde. Derfor vil de atomer, der er til stede før en kemisk reaktion, også være der efter reaktionen. Ved den kemiske reaktion har atomerne blot bundet sig til andre atomer. Sedimentering Rensning af stoffer Man kan rense en blanding af flere stoffer ved at fjerne nogle af dem. Nedenstående rensningsmetoder er tidligere beskrevet. • Ved sedimentering falder et fast stof ned på bunden af en væske. Der dannes et bundfald. • Ved dekantering hælder man forsigtigt væsken over et bundfald fra, så bundfaldet ikke kommer med. • Ved centrifugering tvinges små faste partikler ned som et bundfald. • Ved filtrering fjernes større faste partikler fra en væske. • Ved inddampning koges en væske væk, så kun de opløste stoffer bliver tilbage. En anden vigtig metode er destillation. Destillation Man kan ikke fjerne saltet i saltvand eller sukkeret i en sodavand ved en filtrering. Kun hvis en væske indeholder faste par- 101 Til venstre ses en opslæmning. Efter et stykke tid ses i midten, at de største partikler er faldet til bunds, men væsken er stadig uklar. Efter lang tid ses til højre, at næsten alle partikler er faldet til bunds. Over bundfaldet er en klar væske. Den kan dekanteres fra. KAPITEL 5 · KEMISKE METODER På store skibe og boreplatforme fremstiller man drikkevand ved at destillere havvand. Nyttige oplysninger Chorid-ioner, Cl–, påvises ved tilsætning af sølvnitrat, AgNO3. Sulfat-ioner, SO42–, påvises ved tilsætning af bariumchlorid, BaCl2. Carbonat-ioner, CO32–, påvises ved tilsætning af syre. + Ammonium-ioner, NH4 , påvises ved tilsætning af base. Antallet af atomer af hvert grundstof skal være det samme før og efter en reaktion. Destilleret vand er helt rent vand uden opløste stoffer. Ionbyttet eller demineraliseret vand er vand uden opløste ioner. Tilskuer-ioner er ioner, der ikke deltager i en reaktion. tikler, kan det fjernes ved en filtrering. Hvis stoffet er opløst i væsken, kan det ikke fjernes ved filtrering, men ved destillation. Hvis man vil destillere en vandig opløsning, opvarmes opløsningen til kogepunktet. Vandet fordamper, mens de opløste stoffer bliver tilbage. Vanddampen ledes gennem et såkaldt svalerør, hvor dampen afkøles, så den fortætter. Dette fortættede vand kaldes destilleret vand. Det er helt rent, uden opløste stoffer. I naturen foregår en destillation i stor målestok. Solen får vand til at fordampe fra havene, mens saltene bliver i havvandet. Vanddampen bliver til skyer og ender som regn. Det er destilleret vand, bortset fra de stoffer regndråberne opsamler fra forurening i luften. I ørkenområder og på mange mindre øer er der ikke ferskvand. I lande som fx Kuwait fremstiller man ferskvand ved at destillere havvand. Destillationen afsalter havvandet. I Danmark får vi vores drikkevand fra grundvandsboringer, men mange frygter, at grundvandet i fremtiden ikke længere vil kunne drikkes, se side 165. Da destillation af havvand koster det 102 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER EKSPERIMENT Destillation af farvet vand Det tomme reagensglas holdes med en træklemme og trykkes ned til bunden af bægerglasset, der er fyldt med koldt vand. Reagensglasset til venstre fyldes ca. en tredjedel op med farvet vand. Der lægges et par pimpsten ned i glasset. Det opvarmes forsigtigt med en bunsenbrænder. Efter kort tid strømmer der vanddamp gennem glasrøret over til det højre reagensglas, hvor vanddampen fortættes. Vandet er helt klart, uden farvestof. samme som at benytte grundvand, skal vi måske i fremtiden drikke destilleret havvand? Ionbyttet vand (demineraliset vand) Man kan rense vand ved en billigere metode end destillation. I stedet for destilleret vand får man ionbyttet vand, eller som det også kaldes, demineraliseret vand. Det almindelige vand sendes gennem en ionbytter. Det er en beholder, der indeholder en porøs plast med mange hydrogen-ioner, H+, og hydroxid-ioner, _ OH . Når vandet strømmer gennem ionbytteren, udskiftes de positive ioner i vandet med hydrogen-ioner, og de negative ioner i vandet med hydroxid-ioner. Disse to ioner reagerer med hinanden og danner vandmolekyler. Kopiark 5.9, 5.10, 5.11 og 5.12 103 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Kemi og elektricitet Elektrolyse Strømforsyning + – Elektronvandring Cl Cl Positiv elektrode + + + + + – Cl Cl – Negativ elektrode – – – – – – Cl Cu2+ – Cl Cu2+ Cu Cu Cu Cu Cu Opløser man et salt i vand, spaltes saltet i positive og negative ioner. Hvis man sætter to metalstænger ned i opløsningen og sætter stængerne i forbindelse med en jævnstrømskilde, går der strøm gennem opløsningen. Hvis saltet er køkkensalt, _ NaCl, er der natrium-ioner, Na+, og chlorid-ioner, Cl i vandet. Ionerne leder den elektriske strøm. Elektrolyse Ved en elektrolyse sendes der strøm gennem en opløsning. Det kan kun lade sig gøre, hvis der er ioner i opløsningen. En opløsning, der kan lede den elektriske strøm, kaldes en elektrolyt. Stængerne, der sættes ned i væsken, kaldes elektroder. Når der sendes strøm gennem en elektrolyt, er det ioner, der vandrer hen til elektroderne. I ledningerne er den elektriske strøm elektroner, der flyttes i metallet. Elektrolyse af kobberchlorid Når saltet kobberchlorid, CuCl2, opløses i vand, dannes kob_ ber-ioner og chlorid-ioner, Cu2+ og Cl . Kobber-ionerne er positive. De bevæger sig mod den negative pol. Chlorid-ionerne er negative. De går mod den positive pol. Når en kobber-ion, Cu2+, når hen til den negative elektrode, optager kobber-ionen to elektroner fra elektroden. Herved bliver kobber-ionen til et kobber-atom. Det sætter sig fast på overfladen af elektroden. Reaktionen kan skrives som: Cu 2+ + 2 elektroner ➝ Cu Når en chlorid-ion, Cl –, rammer den positive elektrode, overføres en elektron fra chlorid-ionen til elektroden. Chloridionen omdannes herved til et chlor-atom. Denne reaktion kan skrives som: _ Cl ➝ Cl + en elektron Når der er dannet to chlor-atomer, binder de sig sammen til et chlormolekyle, Cl2. Chlormolekylerne løsriver sig fra elektrodens overflade og bobler op gennem opløsningen. Ved elektrolyse af en opløsning af kobber-ioner og chloridioner fremstilles altså rent kobber og luftarten chlor. 104 KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Elektrolyse af kobberchlorid EKSPERIMENT Der hældes lidt kobberchlorid-opløsning i et bægerglas. To stænger af grafit sættes ned i opløsningen. De er elektroder. Man bruger ofte elektroder af grafit, for hvis elektroderne er af metal, kan de måske reagere med ionerne i opløsningen. Hvis man bruger stænger af grafit, sker det ikke, for grafit er rent carbon. Det reagerer ikke med ioner. Elektroderne forbindes til en jævnstrømskilde, og der skrues lidt op for strømstyrken. Efter ca. et minut slukkes for strømmen, og stængerne tages op. Det er tydeligt, at den ene stang er overtrukket med kobber, og at den anden stang lugter af luftarten chlor. Teknisk anvendelse af elektrolyse Hvis elektrolytten er et sølvsalt, og man bruger en metalgenstand som den negative pol, vil genstanden blive forsølvet. Hvis man bruger et guldsalt, bliver genstanden forgyldt. Kopiark 5.13 Kemisk beskyttelse mod rust Når man ved elektrolyse lægger en metaloverflade på en genstand, kaldes processen galvanisering. Mange jerngenstande galvaniseres, så de får en zinkoverflade. Herved ruster genstandene ikke så hurtigt. En sådan zinkgalvanisering ses fx på søm, skruer og lygtepæle. Vandhaner er ofte lavet af den gule legering, messing. Ved elektrolyse lægges et lag chrom ovenpå. Elementer og batterier I daglige tale bruger mange ordet batteri på en måde, som ikke er korrekt. Det mange kalder et batteri, kalder fysikerne et element. Først når flere elementer sættes sammen, har man et batteri. Alle elementer er opbygget af to elektroder med en elektrolyt imellem. Elektroderne skal være af hvert sit stof. Der findes mange forskellige slags elementer. Forskellen mellem dem er elektrolytten og de stoffer, der bruges som elektroder. 105 For at jern ikke skal ruste, kan man ved elektrolyse lægge et tyndt lag af metallet nikkel oven på jernet. Herefter lægger man ved en ny elektrolyse et lag chrom oven på nikkellaget. Nu er overfladen forchromet. Den skinner flot. Den er meget hård, og den ruster ikke. KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Citron-element Spændingsforskellen mellem zink og kobber er så stor, at et elektrisk ur kan holdes i gang af to citron-elementer. Mellem de to elektroder vil der være en spændingsforskel. Sætter man et stykke zink og et stykke kobber ned i en citron, har man et zink-kobber-element. Man kan måle en spændingsforskel på ca. en volt. Kobber- og zinkstykket er elektroder. Saften i citronen er elektrolytten. Kopiark 5.14 og 5.15 Redox-proces Hvis man forbinder en elektrisk pære til de to elektroder i et element, vil der gå en strøm fra elementet gennem ledningerne og pæren. Inde i elementet flyttes elektroner fra den ene elektrode gennem elektrolytten over til den anden elektrode. Elektronerne, der løber gennem pæren, kommer fra elektroden med overskud af elektroner og løber hen til elektroden med underskud af elektroner. En sådan proces, hvor der flyttes elektroner fra et stof til et andet, kaldes en redox-proces. I et citronelement er det zinkstykket, der afgiver elektroner. Kobberet optager elektroner. Stoffet, der afgiver elektroner, bliver oxideret, mens stoffet, der modtager elektroner, bliver reduceret. I citronelementet er det zink, der bliver oxideret, og kobber-ioner der reduceres. De to reaktioner kan skrives: Zn ➝ Zn2+ + 2 elektroner Cu2++ 2 elektroner ➝ Cu Kopiark 5.16 106 zink oxideres kobber-ioner reduceres KAPITEL 5 · KEMISKE METODER Knapceller I ure og høreapparater bruges små elementer. De kaldes knapceller. De er ofte zink-sølvoxid elementer. Zink-sølvoxid-element Zinkpulver Negativ pol Membran Zink-sølvoxid-elementet Pakning Den ene elektrode består af zinkpulver. Den anden af sølvoxid, Ag2O. Når elementet leverer strøm, afgiver zink-atomer2 ne elektroner og bliver til zink-ioner, Zn +. Zink oxideres. Elektronerne fra zink løber gennem den ydre ledning og kommer ind i den anden ende af elementet. Her reagerer de med sølv-ionerne i sølv-oxid. Sølv-ionerne optager elektroner og bliver til frit sølv. Sølv-ionerne bliver altså reduceret. Denne reaktion kan skrives som: Stålkappe (positiv pol) Separator Sølv-oxid, Ag2O Nyttige oplysninger Ved en elektrolyse sendes strøm gennem en opløsning. En elektrolyt er en opløsning, der kan lede elektrisk strøm. Ag2 + en elektron ➝ Ag En elektrode er en metal- eller grafitstang, der sættes ned i en væske. Lithium-batterier Batteriet i mobiltelefoner, bærbare computere og fotografiapparater er ofte sammensat af lithium-elementer. Dette element er verdensmester blandt elementerne, fordi det kan oplagre mest energi i forhold til sin størrelse. Spændingsforskellen er også meget høj, ca. 3 V. Samtidig kan lithium-elementer oplades igen og igen, og de kan holde helt op til ti år, før de er slidt ned. Den ene elektrode er af metallet lithium, og den anden indeholder chrom-ioner i en kemisk forbindelse. Lithium afgiver elektroner (oxideres). Chrom-ionerne optager elektroner og bliver til metallet chrom (reduceres). 107 Ved en galvanisering lægges en metaloverflade på en genstand. Et batteri er sammensat af flere elementer. Ved en redox-proces flyttes der elektroner. Et stof oxideres, når det afgiver elektroner. Et stof reduceres, når det optager elektroner. CAFE KOSMOS SALT REDDER LIV Til hospitalerne i Danmark fremstilles der hver uge omkring 50 000 liter isotonisk saltvand. DROP PÅ HOSPITALET På lægesprog kaldes behandlingen intravenøst drop. Et tyndt, sterilt metalrør – en kanyle – stikkes ind i en vene, en blodåre, der ligger lige under huden. Ofte bruges en vene på håndens overside. Kanylen sættes fast på huden med et hæfteplaster. Kanylen er gennem en slange forbundet til en plastpose med den væske, der skal ind i kroppen. Lige under posen er en gennemsigtig drypbeholder, hvor man kan regulere, hvor hurtigt væsken skal dryppe ned i slangen. Posen hænges op i et stativ, så den er højere oppe end patienten. Herfra vil væsken ved hjælp af tyngdekraften af sig selv kunne løbe ind i patienten. Hvis posen ikke er placeret højere oppe end patienten, vil blodet løbe ud af patienten. Ambulancen er lige ankommet, og straks bliver patienten tilset af en læge, der beslutter: ”Patienten skal have drop”. Det er for mange patienter den første behandling. De skal have væske ind i kroppen. 108 I de fleste tilfælde får patienten drop med en saltvandsopløsning. Indholdet af salte i opløsningen skal være det samme som i blodet. Her er der mest af almindeligt køkkensalt, dvs. natriumchlorid, NaCl. I opløsningen er der 9 g salt pr. liter vand. En sådan opløsning kaldes ”isotonisk”. I øjenskylleflaskerne i kemilokalet er der også en isotonisk saltvandsopløsning. CAFE KOSMOS ner kan fungere. Tabet af væske og salte gør, at de syge hurtigt går i chok og dør, hvis ikke de får øjeblikkelig behandling. KOLERAEPIDEMIER Når rigtig mange mennesker rammes af en sygdom, kaldes det en epidemi. Koleraepidemier opstår ofte i tætbefolkede og fattige områder, hvor de sanitære forhold og hygiejnen ved madlavning er dårlig. Det er fx i slumkvarterer og i flygtningelejre. I løbet af de sidste to hundrede år har der været syv meget store epidemier af kolera. De første seks startede ved floden Ganges, hvor den løber fra Indien ind i Bangladesh kort inden udløbet i Den Bengalske Havbugt. Drop gives bl.a. til brandsårspatienter, til folk i chok og til forvirrede personer, der ikke har drukket vand nok og derfor er dehydrerede. I opløsningen kan der også være sukker eller medicin. Den syvende epidemi startede i Indonesien i 1961 og har siden bredt sig til det meste af Asien og videre til Afrika og dele af Europa. I 1991 nåede den også til Sydamerika, hvorfra den har bredt sig videre til hele Mellemamerika. Her har der været mere end en million syge. Hvert år melder mere end 60 lande om udbrud af kolera. Når det sker i lande, der ikke er forberedt på et koleraudbrud, dør op til 50 % af de smittede. I lande, hvor man kan handle hurtigt, dør mindre end 1 %. I Zimbabwe har et udbrud af kolera i 2008 i løbet af et halvt år medført mere end 100 000 tilfælde og over 4 000 dødsfald. BEHANDLING AF KOLERA Der findes ingen effektiv koleravaccine. Det er dog nemt at behandle kolera, men det skal ske hurtigt, inden patienten har mistet for meget væske. I løbet af få timer efter de første symptomer har vist sig, skal de smittede have tilført væske, rehydreringsvæske. Den skal indeholde sukker og salte til at erstatte det, som patienten har mistet ved diarré og opkastning. Rehydreringsvæsken skal genoprette kroppens naturlige væskeindhold og indholdet af salte i kroppen. Hvis det er muligt, giver man også antibiotika, der kan slå kolerabakterien ihjel. KOLERA ER EN DØDELIG SYGDOM Kolera er en smitsom mavetarmsygdom, der skyldes den såkaldte kolerabakterie. Den kommer ind i kroppen med forurenet drikkevand eller på grund af dårlig hygiejne ved madlavning. Kolerabakterien laver giftstoffer, der påvirker tarmvæggen. I løbet af en til fem dage bliver man alvorligt syg med voldsom diarré og opkastning. De smittede skal drikke i litervis af en isotonisk saltvandsopløsning. Nogle gange kan det ikke lade sig gøre, fordi de syge kaster så voldsomt op, at de ikke kan holde vandet i sig. Så må man tilføre den isotoniske opløsning gennem et intravenøst drop. Det er også nødvendigt, hvis den syge allerede har mistet mere end 10 % af legemsvægten. På grund af diarréen og opkastningerne kan væsketabet være op til en liter i timen, og det er alt for meget. Patienten bliver dehydreret, dvs. får et livstruende underskud af væske i kroppen. Den tabte væske indeholder salte, som er nødvendige, for at kroppens orga- 109 DET VED DU NU OM KEMISKE METODER DEN NATURVIDENSKABELIGE METODE KEMI OG ELEKTRICITET Den naturvidenskabelige metode benytter eksperimenter til at be- eller afkræfte en antagelse. En antagelse kaldes også for en hypotese. Variable har en værdi, ofte en talværdi. En uafhængig variabel får sin værdi fastlagt ved starten af et eksperiment. En afhængig variabel viser først sin værdi under eller efter et eksperiment. SALTE Ved en elektrolyse sendes der Salte er sammensat af positive strøm gennem en opløsning. og negative ioner. En elektrolyt er en opløsning, Ionerne i et salt sidder i et ion- der indeholder ioner. gitter. En elektrode er en metal- eller Forholdet mellem ionerne i et grafitstang, der sættes ned i en væske. salt kan ses af formlen, fx CaCl2. I et salt er den negative ion ofte en syrerest, fx SO42–. Når et salt opløses i vand, kom- mer der ioner i vandet. Ved galvanisering lægges en metaloverflade på en genstand. ANALYSE OG RENSNING 2– Carbonat-ioner, CO3 , påvises ved tilsætning af syre. + Ammonium-ioner, NH4 , påvises ved tilsætning af base. Før og efter en reaktion skal antallet af atomer af hvert grundstof være det samme. Destilleret vand er helt rent vand uden opløste stoffer. 2– – Sulfat-ioner, SO4 , påvises ved tilsætning af sølvnitrat, AgNO3. tilsætning af bariumchlorid, BaCl2. Chorid-ioner, Cl , påvises ved 110 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Hvad er en antagelse (hypotese)? Hvorfor er der i en krystal af natriumchlorid lige så mange natrium-ioner som chloridioner? Hvad er syreresten af svovlsyre, H2SO4? Hvorfor kan man påvise chlorid- ioner, Cl –, i vand ved at tilsætte sølvnitrat? UDFORDRING Hvorfor bør man ved et eksperiment kun ændre én variabel ad gangen? Hvorfor er det dyrt at fremstille drikkevand ved destillation af havvand? Når man opskriver en kemisk reak Der findes afhængige variable. tion, skal antallet af atomer af hvert grundstof efter reaktionen være det samme som før reaktionen. Hvorfor det? Hvad hedder den anden gruppe af variable? Hvilke to ioner er køkkensalt opbygget af? Hvad hedder processen, hvor der ved elektrolyse lægges guld på en overflade? Hvilken type stoffer skal findes i vand, for at man kan sende strøm gennem vandet? Hvad hedder helt rent vand? 111
© Copyright 2024