1. No category

Repetition
System
•  Snabbgenomgång av föreläsningarna
•  Isolerat – ingen växelverkan med omgivningen
•  Termodynamik
•  Intermolekylär växelverkan
•  Slutet – utbyte av energi, men ej materia
•  Mätnogrannhet
•  Atom- och molekylstruktur
•  Öppet – utbyte av både energi och materia
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Processer
Inre energi, U
•  Reversibel
–  jämvikt hela
vägen
•  Irreversibel
–  enkelriktad väg
•  Termodynamikens första huvudsats
Energi kan varken skapas eller förintas, endast
omvandlas
•  Isolerat system
"U = 0
•  Slutet system
"U = q + w
q > 0 – värme till systemet
w > 0 – arbete på systemet
!
!
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Tryck-volymarbete
Entalpi, H
•  Definition
•  Definition
H = U + PV
Vf
w = " # Pex dV
Vi
Pex – externt (omgivningens) tryck
•  Expansion mot vakuum eller konstant volym
!
•  Konstant tryck
!
w =0
•  Konstant yttre tryck
w = "Pex #V
!
!
!
•  !H värme till eller från systemet vid konstant tryck
–  !H < 0: värme avges – exoterm process
–  !H > 0: värme upptas – endoterm process
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Värmekapacitet, C
Entropi, S
•  Statistisk termodynamisk definition
–  Om alla W mikrotillstånd har samma (inre) energi
•  Om C oberoende av temperaturen
q
C=
"T
!
•  Konstant volym
q
"U
CV = V =
"T "T
!
•  Konstant tryck
q
"H
CP = P =
"T "T
S = k lnW
Boltzmanns konstant: k = R/NA = 1,3807 " 10-23 J/K
•  Ett mått på variationsmöjligheterna i ett system
!
–  Låg entropi – få möjligheter – hög ordning
–  Hög entropi – många möjligheter – oordning
•  Termodynamisk definition
q
"S = rev
T
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
!
"H = "U + P"V
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
!
Entropi, S
Gibbs fri energi, G
•  Termodynamikens andra huvudsats
I ett isolerat system ökar entropin vid en spontan
irreversibel process och förblir konstant vid jämvikt
"S # 0
•  Definition
G = H " TS
•  Universum = system + omgivning: isolerat system
"Ssys + "Somg # 0
!
!
•  Konstant temperatur
!
•  Omgivningen är stor och påverkas ej märkbart
"Somg =
qomg #qsys
=
Tomg Tomg
konstant P: "Somg =
#"H sys
Tomg
!
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
!
"G = "H # T"S
•  !G – 2:a HS uttryckt i systemvariabler vid konst. P, T
–  !G = 0: jämvikt
–  !G < 0: spontan process
–  !G > 0: omvänd process spontan
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
!
Standardtillstånd, X°
Reaktioner
•  Rent ämne (s, l, g) vid 1 bar
•  Upplöst ämne (aq) i ideal lösning vid 1 M och 1 bar
•  Tabellvärden:
–  Standardsmältentalpi, !Hfus°
–  Standardångbildningsentalpi, !Hvap°
–  Standardbildningsentalpi, !Hf°
–  Standard molär entropi, Sm°
–  Standard fri energi vid bildning, !Gf°
–  Standard värmekapacitet vid konstant tryck, CP°
•  Hess lag
Eftersom H är en tillståndsfunktion och oberoende av
vägen är totala entalpin för en given reaktion lika med
summan av reaktionsentalpierna för delreaktionerna
•  Tillståndsfunktioner
"H ! = # n"H f! (produkter) $ # n"H f! (reaktanter)
"S ! = # nSm! (produkter) $ # nSm! (reaktanter)
!
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
"G ! = # n"Gf! (produkter) $ # n"Gf! (reaktanter)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
!
!
Reaktionsblandningar
Jämvikt
aA+bB䋵cC+dD
"G = 0
K # Qjmv
"G = "G ! + RT lnQ
!
!
•  Reaktionskvot:
aCc aDd
Q= a b
aA aB
" #G! = $RT lnK
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
•  Jämviktskonstant
o !a A(g) + b B(l) 䋵 c C(s) + d D(aq)
A(g): ideal gas
[ D] d
"K =
B(l), C(s): ren vätska resp. fast ämne
#%
&a
PA /P ! (
$
'
D(aq): löst ämne i ideal lösning
o  K ≪ 1: Jämvikten starkt förskjuten mot reaktanter
o  K ≫ 1: Jämvikten starkt förskjuten mot produkter
!/ KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen
Le Chateliers princip
Fasdiagram – en komponent
!
•  Aktiviteter
–  Rent fasta ämne eller vätska: ai = 1
–  Ideal gas: ai = Pi / P°, P° = 1 bar
–  Löst ämne i ideal lösning: ai = ci / c°, c° = 1 M
aA+bB䋵cC+dD
Om ett system i jämvikt störs, svarar systemet på ett
sätt som minimerar effekten av störningen
•  Ändring av ni
Reaktionen går åt det håll där det skapas underskott
•  Ändring av V
Reaktionen går åt det håll där mängden gas är minst
då volymen minskas
•  Ändring av T
Exoterm reaktion går mot produkter då
temperaturen sänks
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Enfasområde
Tvåfaslinje
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Fasdiagram – två komponenter
•  Två komponenter –
fasdiagrammet kan ritas
som en funktion av
molförhållandet mellan de
två komponenterna
•  Jämvikt mellan två faser
med olika sammansättning ger tvåfasområde
Fraktionerad destillation
Konstant P
Enfasområde
l+g
g
Tvåfasområde
•  Upprepad förångning-kondensation leder till att sammansättningen går mot ämnet med lägst
kokpunkt, som kan erhållas rent
efter tillräckligt många steg
•  Det som blir kvar i kokkärlet är
ämnet med högst kokpunkt
l+g
l
l
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Avvikelser från ideal blandning –
kokpunktsminimum/maximum
Kolligativa egenskaper
•  Kolligativa egenskaper Gm
–  lösning av ickeflyktiga ämnen
o  Ångtryckssänkning
o  Kokpunktsförhöjning
o  Fryspunktssänkning
o  Osmotiskt tryck
g
s
l
–  beror främst på
mängd upplöst
ämne (ej ämnet
självt)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
g
lösn.
Tm
Tb
P
T
P
h
rent
lösn.m.
lösning
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Plösn. = P + !"
!=#gh
Ideal gas
•  Ingen växelverkan mellan gaspartiklar
•  Allmänna gaslagen
PV = nRT
•  Daltons lag: Totaltrycket är summan av partialtrycken
!
Ptot = PA + PB +…
!
Reella gaser
•  Intermolekylär växelverkan
–  repulsion (egenvolym)
–  attraktion
PV
•  Kompressionsfaktorn Z =
nRT
–  ideal gas: Z=1
–  Z<1: lättare att komprimera än
ideal gas (attraktion dominerar)
!
–  Z>1: svårare att komprimera än
ideal gas (repulsion dominerar)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Intermolekylär växelverkan
Intermolekylär växelverkan egenskaper
•  Repulsion
–  Överlapp mellan
elektronmoln
–  Kort räckvidd
•  Attraktion
–  Elektrostatisk växelverkan
–  Dispersionsväxelverkan
–  Vätebindning
–  Längre räckvidd
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
•  Laddning, q
–  Joner
•  Dipolmoment, !
–  Polära molekyler
•  Polariserbarhet, $!
–  Alla atomer och molekyler
–  Ökar med atom- och
molekylstorlek
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
!
!
Elektrostatisk växelverkan
(momentan)
Van der Waals-växelverkan
(medelvärde)
•  Jon-jon (Coloumbpotential)
qq
EP = 1 2
4 "# 0 r
•  Roterande dipoler
µ2µ2
EP " # 1 6 2
r
•  Dipol-inducerad dipol
•  Jon-dipol
qµ
EP " # 1 2 2
r
•  Dipol-dipol
µµ
EP " # 1 3 2
r
!
!
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
µ12$ 2
r6
•  Dispersion (Londonväxelverkan)
$$
EP " # 1 6 2
r
EP " #
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
!
!
Vätebindning
Avståndsberoende
•  Växelverkan (elektrostatisk) mellan
–  H kovalent bundet till N, O eller F (donator)
–  N, O eller F (acceptor) med fritt elektronpar
•  Jon-jon (1/r)
–  Långväga
•  Van der Waals (1/r6)
–  Kortväga
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Intermolekylär växelverkan kokpunkt
Kondenserade faser
•  Vätskor
–  viskositet, ytspänning
•  Fasta ämnen
–  amorfa eller kristallina
–  molekylära ämnen, nätverk, metaller, salter
•  Flytande kristaller
–  ordning map på riktning, men ej position
•  Dispersion (Londonväxelverkan) ökar med molekylstorlek
•  Vätebindningar starkare än dispersionsväxelverkan
•  XH4 symmetriska, inget bidrag från dipolmoment
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Precision och riktighet i mätvärden
Atomstruktur - orbitaler
Bra precision, bra riktighet
•  Lösningar till Schrödingerekvationen
Bra precision, dålig riktighet
•  Stående vågor i sfärisk symmetri (Coloumb potential)
•  Kan numreras med kvanttal
Dålig precision, bra riktighet
Dålig precision, dålig riktighet
x = mätvärdenas medelvärde
µ = riktigt värde
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
–  n huvudkvanttalet (utbredning/storlek): 1, 2, 3, …
–  l bikvanttalet (form):
0, 1, … n-1
–  ml magnetiska kvanttalet (orientering): -l, -l+1, … 0, … l-1, l
•  Kombinationer av n och l motsvarar olika energinivåer
•  ml anger olika alternativ på samma nivå
•  l kan anges med bokstäver: s, p, d, f
•  Grunden för periodiska systemet
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Atomstruktur – orbitaler
Elektronkonfiguration
•  För varje orbital finns två möjliga spinn, ms = -", +"
•  Aufbauprincipen – fyll upp orbitaler och spinn från låg till
hög energi tills rätt antal elektroner placerats ut
–  atomer: samma antal elektroner som atomnummer
–  katjoner: ta bort elektroner från
atomen i ordningen np, ns, (n – 1 )d
–  anjoner: lägg till elektroner
•  Exempel
–  Cl 1s22s22p63s23p5 el. [Ne]3s23p5
–  Cl- 1s22s22p63s23p6
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Periodiska systemet
Effektiv kärnladdning, Zeff
•  Kärnladdning upplevd av valenselektroner
•  Zeff = Z – S är lägre än Z pga skärmning av inre
elektroner
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Atomradie
Jonradie
•  Effektiv kärnladdning ökar åt höger i perioden
•  Katjoner (+) förlorat elektroner i yttersta skalet
•  Anjoner (-) fler elektroner, som repellerar varandra
•  Runt ädelgas – samma elektronstruktur, men olika
kärnladdning
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Joniseringsenergi och
elektronaffinitet
Oktettregeln
•  Jonseringsenergi, I
Energi som upptas vid reaktionen X(g) # X+(g) + e-(g)
•  Elektronaffinitet, Ea
Energi som avges vid reaktionen X(g) + e-(g) # X-(g)
•  Ädelgasstruktur med ns2np6 (eller 1s2 motsvarande He)
med 8 (2) elektroner i yttersta skalet eftersträvas
•  Oktettregeln kan uppfyllas genom att
–  avge/uppta elektroner och bilda joner
–  dela på elektroner i kovalent bindning
hög I – hög Ea
låg I – låg Ea
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Kemisk bindning
Lewisstruktur för molekyler
•  Valenselektroner förs över eller delas
–  Jonbindning: elektronerna lokaliserade kring en atomkärna
–  Kovalent bindning: elektronerna delokaliserade kring ett
begränsat antal atomkärnor, två eller fler
•  Elektronpar i bindningar anges med streck
•  Fria elektronpar anges som dubbelprickar
dubbelbindning
–  Metallbindning: elektronerna delokaliserade kring många
atomkärnor i hela materialet
enkelbindning
fritt elektronpar
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Recept för lewisstruktur
Resonans
1. 
2. 
3. 
4. 
5. 
•  Flera lewisstrukturer med samma energi möjliga
•  Resonansstrukturer indikeras med dubbelpilar
•  Den sanna strukturen är en blandning av resonansstrukturerna med elektronpar delade av mer än två atomer
•  Bindningarna är mellanting mellan enkel- och
dubbelbindningar
Räkna valenselektroner
Ordna atomerna
Rita enkelbindningar mellan bundna atomer
Fyll på oktetter med fria elektronpar
Om elektronparen inte räcker till, rita dubbel- och/eller
trippelbindningar
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Elektronegativitet
Bindningskaraktär
•  Förmåga att attrahera elektroner
•  Skillnad i elektronegativitet leder till polära bindningar
•  När skillnaden i
elektronegativitet mellan två
bundna atomer ökar, ökar
polariteten och den joniska
karaktären i den kovalenta
bindningen
•  När skillnaden är stor är det
bättre att tala om jonbindning
•  Tumregel
–  "# < 1,5 kovalent
–  "# > 2
jonisk
hög elektronegativitet
låg elektronegativitet
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Bindningsstyrka
VSEPR-modellen
Bindningsstyrkan ökar med
•  … ökande bindningstal (enkel-, dubbel-, trippelbindning)
•  … minskande antal fria elektronpar
•  … minskande atomradie
•  … resonans
•  De elektrontäta områdena (bindningar och fria
elektronpar) försöker komma så långt bort från varandra
som möjligt för att minimera den elektrostatiska
repulsionen
•  Placeringen av de elektrontäta områdena kring en
centralatom beskrivs av elektronarrangemang
•  Placeringen av atomer runt en centralatom beskrivs av
geometrisk form
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Elektronarrangemang
Geometrisk form
Maximal utspridning av elektrontäta områden
Centralatomen och dess bundna grannatomer
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Polära eller opolära molekyler?
Valensbindningsteori
• 
Kovalenta bindningar bildas av överlapp av halvfyllda
atomorbitaler
• 
De polära bindningarna i en molekyl utgör elektriska
dipoler, dvs. har dipolmoment
Beroende på hur bindningarna är riktade i molekylen kan
de ge upphov till ett dipolmoment för hela molekylen
eller ta ut varandra helt och göra molekylen opolär
CO2, opolär
H2O, polär
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
$-bindning
%-bindning
•  Cylindrisk symmetri
•  Två lober
•  Ett nodplan längs
bindningsaxeln
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Multipelbindningar
Hybridisering
•  Enkelbindning:
en $-bindning
•  Om man bara kombinerar s- och p-orbitaler till
bindningar, kan man inte förklara geometrin
•  Lösningen är att göra linjärkombinationer av
atomorbitalerna – hybridorbitaler
•  Antalet orbitaler är konstant, dvs. antalet
hybridorbitaler är detsamma som antalet atomorbitaler
som tagits i anspråk
•  Dubbelbindning:
en $- och en %-bindning
•  Trippelbindning:
en $- och två %-bindningar
N2, trippelbindning
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
•  Exempel: sp3-orbital
h1 = s + p x + p y + p z
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
spx-orbitaler
•  2 sp-orbitaler, linjär form, lämnar 2 p-orbitaler för %-bindning
•  3 sp2-orbitaler, plan trigonal form, lämnar 1 p-orbital för
%-bindning
•  4 sp3-orbitaler, tetraedrisk form
spx-hybridisering – exempel
•  Metan: sp3, tetraedrisk
4 $-bindningar
•  Etyn: sp, linjär
2 $-bindningar (sp-orbitaler)
2 %-bindningar (p-orbitaler)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
sp3dx-orbitaler
Molekylorbitalteori
•  5 sp3d-orbitaler, trigonal bipyramidal form
•  6 sp3d2-orbitaler, okatedrisk form
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
•  Istället för att beskriva kovalent bindning som överlapp
mellan (hybridiserade) atomorbitaler, skapas orbitaler
från s- och p-orbitaler från olika atomer
•  Dessa nya orbitaler sträcker sig över hela molekylen och
kallas därför molekylorbitaler
•  Antalet orbitaler är konstant, dvs. antalet molekylorbitaler
är detsamma som antalet atomorbitaler som tagits i
anspråk
•  Valenselektronerna placeras i molekylorbitalerna efter
stigande energi enligt aufbauprincipen
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
$-orbitaler
%-orbitaler
•  Cylindrisk symmetri
•  $-orbitaler kan bildas av s- eller p-orbitaler
antibindande – nodplan mellan atomer
bindande
bindande
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Energinivåer – diatomära molekyler
Li2 till N2
antibindande
•  Ett nodplan längs
bindningsaxeln
•  %-orbitaler kan bildas av
p-orbitaler
O2 och F2
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00