basiskemi C Helge Mygind Ole Vesterlund nielsen Vibeke Axelsen HAAse & søns forlag

Transkript

1 basiskemi C Helge Mygind Ole Vesterlund nielsen Vibeke Axelsen HAAse & søns forlag

2 Helge Mygind, Ole Vesterlund Nielsen og Vibeke Axelsen: Basiskemi C forfatterne og Haase & Søns Forlag as 2010 Typografisk tilrettelæggelse, omslagsdesign og tegninger: Carsten Valentin, Valentin Design Fotos af laboratorieopstillinger s. 47, 48, 74, 84, 86, 105, 106, 107, 112, 114, 135 og 186ø: Anders Clausen Haase & Søns Forlag. Fotos s. 6, 7, 9, 12, 13, 18, 21, 23, 26ø, 26n, 27, 30, 33, 52, 62, 63, 65, 66, 96, 98, 116, 129, 130, 137, 152, 163n, 167ø, 173, 175, 176 og 186n: SPL/FOCI. Fotos s. 45, 73, 78, 87, 95, 100, 103, 154 og 172: Scanpix Danmark. Fotos s. 26m, 94 og 117: Polfoto. Etikette s. 83: Carlsberg arkiv. Øvrige: forlagsarkiv Data i grundstoffernes periodesystem er fra Pure and Applied Chemistry 81, side Bogen er sat med ITC Legacy Serif og ITC Legacy Sans Trykt hos AKA-Print, Århus 2. ebogsudgave 2011 ISBN Kopiering fra denne bog er kun tilladt ifølge aftale med Copydan. Titler i serien BASISKEMI Basiskemi C Basiskemi C. Facit Basiskemi B Basiskemi B. Facit Basiskemi A Basiskemi A. Facit Basiskemi Xperimenter Facit til grundbøgernes opgaver udgives kun som e-hæfter (pdf), men kan også ses på haase.dk. Her findes også elektroniske notatark til hver af grund bøgerne. Notatarkene kan frit downloades. BASISKEMI forventes at foreligge færdigudgivet i For yderligere information om endnu ikke udkomne titler henvises til forlagets hjemmeside. Haase & Søns Forlag as haase@haase.dk

3 Indhold Forord 5 1 Grundstoffer Atomteorien 7 Atomets opbygning 11 Atommasse 16 Grundstoffernes periodesystem 18 Atomernes elektronsystem 23 Grundstoffernes forekomst 26 Opsamling 28 2 Ioner og ionforbindelser Natriumchlorid 31 Ionforbindelser med simple ioner 34 Eksempler på ionforbindelser 37 Mærkning af farlige kemikalier 39 Ionforbindelsers egenskaber 41 Fældningsreaktioner 46 Exoterme og endoterme reaktioner 48 Opsamling 51 3 Kovalent binding Navngivning 53 Atomernes elektronsky 54 Kovalent binding 56 Eksempler på kovalente bindinger 57 Molekyler 60 Grundstoffet carbon 64 Elektronegativitet 67 Polære bindinger og polære molekyler 71 Hydrofile og hydrofobe grupper 74 Opsamling 76 4 Mængdeberegninger Densitet 79 Formelmasse. Molekylmasse 82 Stofmængde 83 Kemiske mængdeberegninger 89 Gasser 96 Opsamling 98 5 Blandinger Homogene og heterogene blandinger 101 Procent og ppm 101 Stofmængdekoncentration 104 Mættet opløsning 108 Aktuel stofmængdekoncentration 109 Titreranalyse 112 Opsamling Et indblik i den organiske kemi Organisk kemi 117 Carbonatomets bindingsforhold 118 Alkaner 122 Alkanernes egenskaber 127 Alkener 132 Fremstilling af alkener 134 Alkenernes egenskaber 135 Alkyner 138 Cycloalkaner og cycloalkener 139 Aromatiske carbonhydrider (arener) 141 Nogle oxygenforbindelser 144 Grænseværdier og sikkerhed 148 Mærkning af organiske kemikalier 150 Opsamling 151

4 7 Syre-basereaktioner Et eksempel på en syre-basereaktion 153 Syrer 156 Baser 158 Syrers og basers styrke 160 ph-begrebet 162 Måling af ph 166 Syre-basetitrering 167 Opsamling Redoxreaktioner Oxidation og reduktion 173 Spændingsrækken 175 Oxidationstal 178 Afstemning af redoxreaktioner 182 Redoxtitrering 185 Opsamling 187 Register 189 Tabeller A. Fortegnelse over grundstofferne 193 B. Nogle vigtige ioners formler og navne 197 C. H-sætninger 198 D. P-sætninger 200 E. R-sætninger 202 F. S-sætninger 203 Grundstoffernes periodesystem 204

5 Forord Basiskemi C dækker kernestoffet, som det er beskrevet i læreplanen for Kemi C på de gymnasiale uddannelser efter gymnasiereformen For at få passende kontinuitet og sammenhæng i teksten, er der dog også inddraget supplerende stof, fx molekylers opløselighedsforhold, idealgasloven og brugen af oxidationstal. Det supplerende stof kan naturligvis tilvælges frit efter interesse og studieretning. Basiskemi C er en gennemrevideret udgave af Helge Myginds Kemi 2000 C-niveau. Vi vil gerne takke Helge Mygind for at have givet os frie hænder til at justere, omskrive, slette og tilføje i den oprindelige tekst samt for relevante kommentarer og faglige diskussioner undervejs. Det har været vigtigt for os at videre føre Myginds klare og præcise opbygning af teksten, så det tydeligt fremgår, hvor de vigtige pointer findes. Siden Kemi 2000-serien begyndte at udkomme i 1994, er der sket ændringer, som har nødvendiggjort justeringer i teksten. I grundstoffernes periodesystem nummereres grupperne fra 1 til 18. Det»gamle«system med hovedgrupper og undergrupper, benyttes stadig af mange, og derfor angives i teksten såvel nye (arabertal) som gamle gruppenummereringer (romertal). Navngivningen af kemiske stoffer følger anbefalingerne fra Kemisk Forenings Nomenklaturudvalg (Kemisk ordbog, 3. udg. 2008). Til de få beregningsformler, som eleverne skal kende på C-niveau, har vi af hensyn til de elever, der forsætter med kemi til A-niveau, benyttet nomenklaturen fra Formelsamling kemi A (Kemiforlaget). Det skal bemærkes, at mange opgaver i modsætning til tidligere nu angives med ikke-afstemte reaktionsskemaer. Arbejdet med kemi kræver tabelopslag, og da man på de fleste skoler benytter sig af Databog fysik kemi (F & K Forlaget), har vi valgt at benytte data herfra. Hvert af bogens kapitler afsluttes med en opsamling af vigtige begreber. For at eleverne kan arbejde aktivt med forståelsen af stoffet ved hjælp af opsamlingerne, er der udfærdiget to notatark til hver opsamling. Det mest hensigtsmæssige er, at eleverne noterer på egne ark, derfor kan notatarkene frit downloades fra forlagets hjemmeside. Kommentarer til teksten, forslag til ændringer og påvisninger af eventuelle fejl vil blive modtaget med taknemmelighed. Vibeke Axelsen Ole Vesterlund Nielsen 5

6 1: Grundstoffer Atomteorien 7 Atomets opbygning 11 Atommasse 16 Grundstoffernes periodesystem 18 Atomernes elektronsystem 23 Grundstoffernes forekomst 26 Opsamling 28 Grundstoffer tungere end hydrogen og helium dannes ved atomkerneprocesser i stjernernes indre og ved supernovaeksplosioner. Den blå»tot«nederst i billedet viser resterne af supernova E0102, og det rødlige område øverst viser en del af N76, som er et stort stjerneproducerende område. E0102 og N76 ligger i dværggalaksen den Lille Magellanske Sky ca lysår fra Jorden.

7 Grundstoffer Atomteorien Luft, vand, sand, ler, hvide sten, sorte sten, gule sten, træ, græs... Vi kan umiddelbart konstatere, at naturen omkring os består af mange forskellige stoffer. Det er en gammel tanke, at alt stof er opbygget af nogle få grundlæggende bestanddele. I den græske oldtid fremsatte filosoffen Empedokles (ca f.v.t.) en teori om stoffers opbygning. Ifølge denne teori er alt stof opbygget af fire elementer, nemlig vand, jord, luft og ild. Ideen om de fire elementer blev senere bearbejdet af Aristoteles ( f.v.t.), og hans anskuelser var den gængse teori i de næste ca år. Det var en rent filosofisk teori i modsætning til moderne naturvidenskabelige teorier, som er baseret på eksperimenter. Det moderne grundstofbegreb skal først og fremmest tilskrives den franske kemiker Antoine Laurent de Lavoisier ( ). Han mente, at et stof kunne anses for at være et grundstof, hvis det endnu ikke havde været muligt at nedbryde stoffet til andre stoffer. Man kan spalte vand til to andre stoffer, nemlig hydrogen (brint) og oxygen (ilt). Derfor er vand ikke et grundstof. Derimod kunne man ikke spalte hydrogen, så det er et grundstof. Det samme gælder oxygen. Stoffer, som ikke er grundstoffer, kaldes kemiske forbindelser. Vand er en kemisk forbindelse af grundstofferne hydrogen og oxygen. Lavoisier opstillede i 1789 en liste med 33 grundstoffer. En del af disse stoffer har senere vist sig at være kemiske forbindelser, og to af dem, lys og varme, er efter nutidens opfattelse slet ikke stoffer. Atomteorien er nøje knyttet til grundstofbegrebet. Ifølge atomteorien består alt stof af nogle meget små partikler, som kaldes atomer. Et grundstof består af ens atomer, mens en kemisk forbindelse består af forskellige atomer, som er bundet sammen. Den første anvendelige atomteori blev opstillet af John Dalton i Når Dalton skrev kemiske formler, anvendte han symbolske tegninger af atomerne, se figur 1. Vand og ammoniak er kemiske forbindelser. Dalton antog, at de kemiske forbindelser var simplest muligt sammensat. Med den John Dalton Engelsk naturvidenskabsmand og lærer. Beskrev i 1794 som den første farveblindhed. Fremsatte i 1801»Daltons lov«for trykket i gasblandinger. Dalton kaldes atomteoriens fader. Han opstillede sin atomteori i 1803, men offentliggjorde den først i hydrogen oxygen nitrogen vand ammoniak Figur 1. Nogle af Daltons»kemiske formler«. 7

8 moderne skrivemåde svarer det til, at vandmolekylet har formlen HO og ammoniakmolekylet formlen NH. I vore dage ved vi, at de to stoffers formler er H 2 O og NH 3. I mange år var der tvivl om den kemiske formel for vand og en række andre almindelige stoffer. Omkring 1850 var der stadig kemikere, som hævdede, at vand havde formlen HO. Man skal helt frem til ca. 1865, før alle accepterede, at formlen måtte være H 2 O. Det kemiske symbol H betegner grundstoffet hydrogen, men det angiver også en bestemt mængde af grundstoffet, nemlig et hydrogenatom. Ved almindelig temperatur binder hydrogenatomer sig sammen to og to til dihydrogenmolekyler: 2H H 2 Forstavelsen di- betyder 2. På tilsvarende måde består dioxygen af molekyler, som hver indeholder to atomer. Dioxygenmolekylet betegnes O 2. Når man blander dihydrogen og dioxygen i en beholder, fordeler molekylerne sig mellem hinanden. Hvis blandingen opvarmes (antændes), sker der en kemisk reaktion. Figur 2 viser modeller af systemet før og efter reaktionen. Figur 2. Før reaktionen rummer beholderen en blanding af dihydrogen og dioxygen. Der dannes vanddamp ved reaktionen. Bemærk, at der er anvendt overskud af dioxygen. Reaktionsskemaet for reaktionen mellem dihydrogen og dioxygen skrives sådan: 2H 2 + O 2 2H 2 O + Af to dihydrogenmolekyler og et dioxygenmolekyle får man to vandmolekyler. Som man ser, er der 4 H-atomer og 2 O-atomer på begge sider af reaktionspilen. Atomerne er bundet sammen på en anden måde efter reaktionen end før reaktionen. Ved en kemisk reaktion ændres de kemiske bindinger mellem atomerne, men selve atomerne ændres ikke. 8

9 Figur 3. Billedet viser H 2 O(s), der flyder på H 2 O(l). Luften ovenover indeholder lidt H 2 O(g), men det ses ikke, da vanddamp er usynlig. Skyerne består af fortættet vanddamp. I et reaktionsskema angiver man ofte de kemiske forbindelsers tilstandsformer, det vil sige om stofferne er faste stoffer, væsker eller gasser. Man anvender følgende tilføjelser til de kemiske formler: (s) fast stof (l) væske (g) gas Man kan huske betydningen af (s) og (l) ved at tænke på de engelske ord solid og liquid. Desuden har man ofte brug for at angive, at et stof er opløst i vand, og i de tilfælde benyttes tilføjelsen: (aq) i vandig opløsning Vand hedder aqua på latin, jævnfør ordet akvarium. I reaktionsskemaet på side 8 har vi kun gasser, og reaktionsskemaet kommer til at se således ud med tilstandsformerne påført: 2H 2 (g) + O 2 (g) 2H 2 O(g) Når dihydrogen og dioxygen reagerer ved antændelsen, dannes der vand i gasform, H 2 O(g). Ved afkøling vil vanddampen fortætte til flydende vand, H 2 O(l). Man kan derfor undertiden se reaktions- 9

10 skemaet ovenfor skrevet med H 2 O(l) som produkt. Her forudsættes det, at reaktionsproduktet er afkølet, således at det er fortættet flydende vand. Et reaktionsskema er afstemt, når der er lige mange atomer af hvert grundstof på begge sider af reaktionspilen. Som eksempel på afstemning af et reaktionsskema kan vi se på forbrænding af me than, der har formlen CH 4. En forbrænding er en reaktion med dioxygen, og ved forbrændingen af methan dannes der carbondioxid (CO 2 ) og vand: CH 4 + O 2 CO 2 + H 2 O (ikke afstemt) Dette reaktionsskema er ikke afstemt. Man ser nemlig, at der er 4 H-atomer på venstre side og kun 2 på højre, og at der er 2 O atomer på venstre side og 3 på højre side. Det er nemmest at afstemme H-atomerne først og gemme afstemningen af O-atomerne til sidst, idet oxygen indgår i begge stofferne på højre side. Afstemningen af H-atomerne sker ved at sætte koefficienter foran formlerne, indtil der er lige mange H-atomer på begge sider: CH 4 + O 2 CO 2 + 2H 2 O (ikke helt afstemt) Efter afstemning af O-atomerne er reaktionsskemaet afstemt, og tilstandsformerne er ligeledes påført: CH 4 (g) + 2O 2 (g) CO 2 (g) + 2H 2 O(g) Naturgas er en blanding af forskellige stoffer. Methan udgør ca. 90 % af naturgas, og forbrændingen af methan er derfor en vigtig kemisk reaktion. De stoffer, som står på venstre side af reaktionspilen, kaldes reaktanter (eller udgangsstoffer), mens stofferne til højre for pilen kaldes produkter (eller reaktionsprodukter). Når man skal skrive et reaktionsskema, begynder man med at skrive de korrekte kemiske formler for reaktanter og produkter, og derefter afstemmer man samtlige grundstoffer ved at sætte koefficienter foran formlerne. Man må naturligvis ikke rette på en korrekt kemisk formel for at få reaktionsskemaet til at stemme. Senere indføres reaktionsskemaer med ioner. Her skal man desuden sørge for, at den elektriske ladning er den samme på begge sider af reaktionspilen. 10

11 OPGAVE 1. Afstem følgende reaktionsskemaer: a) CH 4 + H 2 O CO + H 2 c) H 2 + N 2 NH 3 b) CO + H 2 CH 3 OH d) NH 3 + O 2 NO + H 2 O 2. Hvilken forskel er der på en blanding af to grundstoffer og en kemisk forbindelse bestående af de to grundstoffer? 3. Forklar forskellen på følgende skrivemåder: H 2H H 2 2H 2 H 2 (g) H 2 (l) og H 2 (s) 4. Tegn en model af en blanding af dihydrogenmolekyler og dichlormolekyler (Cl 2 ). Tegn fx 5 dihydrogenmolekyler og 7 dichlormolekyler. Hvis en blanding af gasserne dihydrogen og dichlor belyses med lys fra en blitzpære, sker reaktionen: H 2 (g) + Cl 2 (g) 2HCl(g) Tegn en model af systemet efter reaktionen. 5. Daltons atomteori bygger bl.a. på følgende antagelser: a) Et grundstof består af ens atomer. b) Et atom kan ikke deles i mindre dele. c) Et atom af et grundstof kan ikke omdannes til et atom af et andet grundstof. Diskuter på grundlag af viden fra grundskolens fysik-kemi-undervisning, om man stadig anser disse antagelser for at være rigtige. Atomets opbygning Oprindelig forestillede man sig, at atomet var en lille kugle, som ikke kunne deles i mindre dele. Ordet atom kommer af det græske ord atomos, som betyder udelelig. K A + Figur 4. Et katodestrålerør. 11

12 elektron positiv ladning Figur 5. I Thomsons atommodel er elektronerne fordelt i en positivt ladet kugle. Joseph John Thomson Engelsk fysiker, som opdagede elektronen i Tildelt nobelprisen i fysik Han påviste i 1913, at grundstoffet neon bestod af flere forskellige isotoper (isotoper omtales side 14). I slutningen af 1800-tallet opdagede man imidlertid, at det var muligt at trække negativt ladede partikler ud af metaller ved at anvende en stor spændingsforskel. Princippet fremgår af figur 4 side 11. Der tilsluttes en spændingskilde mellem katoden K og anoden A, idet katoden forbindes til minus. Røret er næsten lufttomt. Når spændingsforskellen er tilstrækkelig stor, udgår der de såkaldte katodestråler fra katoden og over mod anoden, hvor en stråle går gennem et hul og videre ud i røret. Hvis man tilslutter en spændingsforskel mellem de to vandrette plader på figur 4, kan man afbøje katodestrålen. Desuden kan strålen afbøjes af en magnet. Nogle fysikere troede, at katodestrålerne var bølger, men flere og flere eksperimenter tydede på, at strålerne var en strøm af negativt ladede partikler. Ved at studere afbøjningen af katodestråler kunne den engelske fysiker Joseph John Thomson i 1897 bestemme forholdet mellem de negativt ladede partiklers ladning og masse. Hans eksperiment viste, at dette forhold var det samme, uanset hvilket metal katoden var lavet af. Det er altså den samme negative partikel, som kan trækkes ud af alle metaller. Hermed havde han opdaget den fundamentale partikel, som vi kalder elektronen. Elektronerne må være trukket ud af metalatomerne i katoden. Herefter er det en naturlig tanke, at elektronerne indgår som bestanddel af atomet. Som vist på figur 5 mente Thomson, at elektronerne var fordelt i en positivt ladet kugle på samme måde som rosinerne i en rosinbolle. Men han kunne ikke bestemme antallet af elektroner, og derfor kunne han ikke afgøre, om den positive ladning var knyttet til et stof med masse. Thomsons atommodel kunne imidlertid ikke forklare nogle eksperimenter, som blev lavet af Ernest Rutherford og medarbejdere film Figur 6. Rutherfords forsøg. Opstillingen befandt sig i en lufttom beholder. Modellen til højre på figuren illustrerer Rutherfords tolkning af forsøget. α-kilde guldfolie α kerne guldfolieatomer 12

13 i De sendte den form for radioaktiv stråling, som kaldes a-stråling, ind mod et tyndt folie af guld. På det tidspunkt vidste man, at a strålingen bestod af positive heliumioner. Som vist på figur 6 passerede de fleste a-partikler gennem guldfoliet uden at afbøjes nævneværdigt. Nogle få af a-partiklerne blev imidlertid kastet tilbage i den retning, de kom fra. Thomsons model kan ikke forklare denne hårde tilbagekastning. På grundlag af eksperimentet opstillede Rutherford en ny atommodel. Ifølge hans model er næsten hele atomets masse samlet i en lille kerne, som sidder midt i atomet. De få a-partikler, som kastes tilbage i eksperimentet på figur 6, er stødt frontalt ind mod en af de tunge atomkerner i guldfoliet. Atomkernen har en positiv elektrisk ladning, og de negativt ladede elektroner bevæger sig rundt omkring kernen i»stor«afstand. Et atom er i sig selv ufattelig lille, og kernens radius er ca gange mindre end atomets radius. I vore dage ved vi, at atomkernen består af to slags partikler, Ernest Rutherford Engelsk fysiker, som hovedsagelig studerede radioaktive omdannelser. Rutherford modtog nobelprisen i kemi i Grundstof nr. 104 (Rf) er opkaldt efter Rutherford. elektron Figur 7. Model af et atom kerne proton neutron atom nemlig protoner, som har en positiv elektrisk ladning, og neutroner, som er elektrisk neutrale, se figur 7. Neutronen er opdaget så sent som i 1932 af den engelske fysiker, Sir James Chadwick. Kernen er omgivet af negativt ladede elektroner. Protonens ladning er +e og elektronens ladning -e, hvor e er den elektriske elementarladning. Det er den mindste ladning, man kender. Normalt siger man blot, at protonens ladning er +1 og elektronens -1. Et atom indeholder lige mange protoner og elektroner, så atomet er elektrisk neutralt. Protoner, neutroner og elektroner kaldes elementarpartikler. Nogle data for partiklerne er anført i tabel 1 (øverst på næste side). James Chadwick Engelsk fysiker. Chadwick var en af Rutherfords nærmeste medarbejdere. Han opdagede neutronen i 1932 og modtog i 1935 nobelprisen i fysik for denne bedrift. Chadwick medvirkede under Anden Verdenskrig til at udvikle atombomben. 13

14 Tabel 1. Data for de elementarpartikler, som atomerne består af. Elementarpartikel Ladning Masse Antalsbetegnelse Proton Neutron Elektron +1 (e) 0 1 (e) 1,0073 u 1,0087 u 0,00055 u Z N (Z) Masseenheden 1 u defineres side 16. Læg mærke til, at protonen og neutronen begge har en masse på ca. 1 u, mens elektronens masse er ubetydelig i forhold hertil. Antallet af protoner (og dermed antallet af elektroner) kaldes atomets nummer og betegnes Z. Atomnummeret fortæller, hvilket grundstof der er tale om. Nr. 1 er hydrogen, nr. 2 er helium, nr. 3 lithium osv. Oprindelig troede man, at et grundstof bestod af helt ens atomer. Det har imidlertid vist sig, at antallet af neutroner kan variere. På figur 8 ses modeller af de to slags lithiumatomer, man finder i naturen. Man siger, at naturligt lithium består af to isotoper, og de betegnes: 6 3Li og 7 3Li Nederst foran det kemiske symbol skriver man atomnummeret Z. Tallet foroven kaldes nukleontallet, og det betegnes A. Nukleoner (kernepartikler) er en fælles betegnelse for protoner og neutroner, og nukleontallet er naturligvis summen af protontallet Z og neutrontallet N: A = Z + N 7 3Li indeholder 3 protoner og 4 neutroner. Man kan nøjes med at skrive 7 Li (»lithium-syv«), da det er givet, at atomnummeret er lig med 3, når man har skrevet det kemiske symbol Li. Nukleoner har som nævnt en masse på ca. 1 u hver, mens elektronens masse er ubetydelig i forhold hertil. Massen af et 7 3Liatom bliver derfor ca. 7 u, svarende til at nukleontallet er lig med 7. Nukleontallet A kaldes også atomets massetal. De to lithiumatomer på figur 8 har identiske elektronsystemer, dvs. de to atomer er identiske i den del af atomet, som vender ud mod andre atomer. Det er elektronsystemet, som bestemmer de kemiske egenskaber, og de to lithiumisotoper har derfor ens kemi- 14

15 Figur 8. Simple atommodeller af de to naturligt forekommende lithium isotoper Li 3Li ske egenskaber. Vi kan sige, at et grundstof består af atomer, som er kemisk set ens. På figur 8 er der tegnet to elektroner i første skal og én elektron i anden skal. Indtil videre vil vi benytte denne simple skalmodel af atomet. 7,59 % af antallet af lithiumatomer i naturligt forekommende lithium er 6 3Li, og de resterende 92,41 % er 7 3Li. Et grundstofs isotopsammensætning er stort set den samme overalt på Jorden. Lithiums isotopsammensætning afhænger altså hverken af findested eller lithiummineralets kemiske sammensætning. Der er tre isotoper af grundstoffet hydrogen, men kun to af dem forekommer i naturen: H 1 H 1 H 99,9885 % 0,0115 % Isotopfordelingen er anført. 2 H kaldes undertiden deuterium og 3 H tritium. Disse isotopnavne hentyder til, at atomerne indeholder henholdsvis to og tre nukleoner. Tungt vand består af vandmolekyler, som indeholder to deuteriumatomer. Tritium findes ikke i naturen. Tritiumatomet er radioaktivt, dvs. atomkernen er ustabil. Før eller siden omdannes atomkernen under udsendelse af radioaktiv stråling. Tritiums halveringstid er 12,33 år. I en mængde tritium vil halvdelen af antallet af tritiumatomer være omdannet efter 12,33 år. Tritiumatomerne omdannes til 3 2He. 15

16 OPGAVE 6. Angiv antallet af protoner, neutroner og elektroner i følgende atomer: He 19K 92U C (»kulstof-14«) er radioaktiv. Under udsendelse af radioaktiv stråling omdannes 14 6C til 14 7N. Hvilken forskel er der på disse to atomers opbygning? Atommasse Atomers masse måles i enheden u, der er defineret sådan: 1 u = 12 1 af 12 6C-atomets masse Et 12 6C-atom får dermed massen præcis 12 u. Protonens og neutronens masse er begge lidt over 1 u (se tabel 1 side 14). 12 6C består af 6 protoner, 6 neutroner og 6 elektroner, og den samlede masse for disse 18 partikler er over 12 u. Her er noget, som ikke stemmer, idet 12 6C-atomet som nævnt definitionsmæssigt har en masse på præcis 12 u. Forklaringen er, at masserne i tabel 1 er bestemt ved måling på de frie elementarpartikler. Det viser sig, at protonerne og neutronerne mister ca. 1 % af deres masse, når de bindes sammen i en atomkerne. Dette massetab kan forklares ved hjælp af relativitetsteorien. Man kan altså ikke beregne et atoms nøjagtige masse. Man må måle massen, og det sker med et apparat, som kaldes et massespektrometer. Med et massespektrometer kan man måle både de enkelte atomers masse og grundstoffernes isotopsammensætning. For carbon finder man: 12 6 C 13 6 C 98,892 % 1,108 % 12,00000 u 13,00335 u Indholdet af den radioaktive isotop 14 6C (carbon-14) er så forsvindende lille, at det er uden betydning i denne sammenhæng. Af de anførte masser er det kun 13 C-atomets masse, der er en målt størrelse, idet 12 C-atomets masse som nævnt definitionsmæssigt er fastsat til 12 u. 16

17 En kemiker arbejder normalt ikke med atomerne enkeltvis. Hvis man fx anvender 2 gram carbon, har man ca C atomer. Når man arbejder med et uhyre stort antal atomer, er det mindre væsentligt at vide, hvad et 12 C-atom og et 13 C-atom vejer. Det afgørende er den gennemsnitlige masse pr. carbonatom. For at beregne gennemsnitsmassen betragter vi C atomer. Ifølge den anførte isotopfordeling drejer det sig (statistisk set) om C-atomer og C-atomer. Gennemsnitsmassen er den samlede masse af disse atomer divideret med antallet: ,00000 u ,00335 u = 12,011 u Hvis vi først dividerer med , kan udregningen skrives: 98,892 12,00000 u + 1,108 13,00335 u = 12,011 u Her kan man direkte se, hvordan den procentvise isotopfordeling indgår ved udregningen af gennemsnittet. Den udregnede gennemsnitsmasse kaldes carbons atommasse. Et grundstofs atommasse er gennemsnitsmassen af atomerne i grundstoffets naturlige isotopblanding. Det viser sig dog, at carbons isotopsammensætning varierer lidt geografisk fra sted til sted. Internationalt har man vedtaget at benyt te værdien 12,0107 u som carbons atommasse. I tabel A side kan man finde de internationalt vedtagne atommasser for alle grundstofferne. Ved de fleste beregninger er det tilstrækkeligt at benytte de afrundede atommasser i periodesystemet bagest i bogen. OPGAVE 8. Der er tre oxygenisotoper i naturen: 16 8 O 17 8 O 18 8 O 99,757 % 0,038 % 0,205 % 15,99491 u 16,99913 u 17,99916 u Beregn oxygens atommasse. 17

18 Figur 9. Metallet natrium skæres let i stykker med en kniv. Hvis hånden ikke er beskyttet af plastichandsker, vil metallet reagere med hudens fugtighed. Grundstoffernes periodesystem Nogle grundstoffer ligner hinanden meget. Det drejer sig fx om natrium (Z = 11) og kalium (Z = 19). Natrium og kalium er bløde metaller, som man let kan skære igennem med en kniv. Smeltepunktet er lavt (98 C for Na og 63 C for K). De to metaller reagerer særdeles voldsomt med vand og med en række andre stoffer. Formlerne for de kemiske forbindelser ligner også hinanden, fx: NaCl Na 2 O Na 2 SO 4 KCl K 2 O K 2 SO 4 Forlader vi Na og K og går én op i atomnummer, kommer vi til magnesium (Z = 12) og calcium (Z = 20). Igen har vi to grundstoffer med stor indbyrdes lighed. De er begge metaller, og deres smeltepunkter er forholdsvis høje (650 C for Mg og 842 C for Ca). De er ret reaktionsvillige, men de reagerer ikke nær så voldsomt som natrium og kalium. Eksempler på kemiske forbindelser af magnesium og calcium: MgCl 2 MgO MgSO 4 CaCl 2 CaO CaSO 4 Dimitrij Mendelejev Russisk kemiker, som i 1869 opstillede det første anvendelige periodesystem. Det rummede de 63 grundstoffer, man kendte dengang. Grundstof nr. 101 er opkaldt efter Mendelejev. Igen ser man, at de kemiske formler ligner hinanden, men disse formler ligner ikke formlerne for de tilsvarende natrium- og kaliumforbindelser. I 1860 erne prøvede flere forskellige kemikere at opstille grundstofferne i et system. Det første anvendelige periodesystem blev opstillet af russeren Dimitrij Mendelejev i Tabel 2 er en gengivelse af Mendelejevs system. Her er grundstofferne opstillet i rækkefølge efter voksende atommasse. Grundstoffer, som ligner hinanden, er placeret på samme vandrette række. Fx står natrium og kalium i samme række. Derimod er det ikke lykkedes Mendelejev at placere calcium i samme vandrette række som magnesium. Læg mærke til, at Mendelejev»snød«nogle steder. Han måtte fx bytte om på rækkefølgen af tellur (atommasse 128) og iod (atommasse 127) for at få de to grundstoffer placeret i de vandrette rækker, hvor de hørte hjemme ifølge deres kemiske egenskaber. Endvidere bemærker man de tomme pladser i systemet. Mendelejev mente, at disse pladser tilhørte grundstoffer, som endnu ikke var opdaget. Fx mangler der ifølge Mendelejev et grundstof med atommassen 68 og et andet med atommassen 70. Mendelejev 18

19 Ti=50 Zr=90?=180 V=51 Nb=94 Ta=182 Cr=52 Mo=96 W=186 Mn=55 Rh=104,4 Pt=197,4 Fe=56 Ru=104,4 Ir=198 Ni=Co=59 Pd=106,6 Os=199 H=1 Cu=63,4 Ag=108 Hg=200 Be=9,4 Mg=24 Zn=65,2 Cd=112 B=11 Al=27,4?=68 Ur=116 Au=197? C=12 Si=28?=70 Sn=118 N=14 P=31 As=75 Sb=122 Bi=210? O=16 S=32 Se=79,4 Te=128? F=19 Cl=35,5 Br=80 J=127 Li=7 Na=23 K=39 Rb=85,4 Cs=133 Tl=204 Ca=40 Sr=87,6 Ba=137 Pb=207?=45 Ce=92?Er=56 La=94?Yt=60 Di=95?In=75,6 Th=118? Tabel 2. En gengivelse af Mendelejevs periodesystem fra Bemærk den upræcise skrivemåde. Det kemiske symbol kan naturligvis ikke være lig med atommassen. kunne forudsige en række af disse grundstoffers egenskaber, og det var medvirkende til, at man inden for en kort årrække fandt de manglende grundstoffer. Vi forlader nu Mendelejevs system og går over til at se på en moderne opstilling af periodesystemet som vist bagest i bogen. Grundstofferne er nu opstillet i rækkefølge efter voksende atomnummer, dvs. efter voksende antal protoner i atomkernen. Hydrogen med Z = 1 står først, så kommer helium med Z = 2, lithium med Z = 3 osv. De vandrette rækker i grundstoffernes periodesystem bag i bogen kaldes perioder. De er lavet så lange, at grundstoffer, som ligner hinanden, kommer til at stå under hinanden. Kalium står neden under natrium, og calcium står under magnesium. Det fantastiske er, at det»går op«over det hele. Det skal dog bemærkes, at hydrogen ikke passer særlig godt ind i systemet. De lodrette søjler kaldes grupper, og grundstofferne i en gruppe ligner altså hinanden. Grupperne nummereres fra 1 til 18. De lange grupper, nummer 1, 2 og 13 til 18, kaldes hovedgrupper, og de korte grupper, nummer 3 til 12, kaldes undergrupper. På figur 10 på side 20 er undergrupperne skraveret. 19

20 Figur 10. Hovedgrupper og undergrupper. Undergrupperne er de skraverede felter (I) (VIII) (II) (III) (IV) (V) (VI) (VII) (IIIa) (IVa) (Va) (VIa) (VIIa) 9 10 (VIIIa) 11 (Ia) 12 (IIa) I overensstemmelse med tidligere praksis nummererer vi hovedgrupperne med romertal og undergrupperne med romertal efterfulgt af bogstavet a. Hovedgruppe I vil vi omtale som 1. hovedgruppe, mens undergruppe Ia kaldes 1. undergruppe osv. Bemærk, at hovedgruppenummeret svarer til det sidste ciffer i gruppenummeret. Nogle af grupperne har specielle navne. Grundstofferne i gruppe 17 (VII) kaldes halogenerne. Halogen betyder saltdanner. Grundstofferne i gruppe 1 (I) (undtagen hydrogen) kaldes alkalimetallerne. Grundstofferne i gruppe 18 (VIII) kaldes de ædle gasser. Alle grundstofferne i denne gruppe er nemlig gasser, og de kaldes ædle, fordi de er meget reaktionstræge. I 1962 lykkedes det for første gang at fremstille en kemisk forbindelse af en ædel gas, og til dato er der kun fremstillet få forbindelser af de ædle gasser, hovedsagelig af xenon. Et»molekyle«af en ædel gas består af et enkelt atom. Dette er endnu et tegn på ædelgassernes modvilje mod at danne kemiske bindinger. I de fleste tilfælde sker der en gradvis udvikling ned gennem en hovedgruppe. I tabel 3 ser man, hvordan egenskaberne ændres, Tabel 3. Nogle egenskaber for grundstofferne i gruppe 17 (VII). Gruppen rummer desuden det meget sjældne grundstof astat. Udseende ved stuetemperatur Grundstofnavn Stofformel Smeltepunkt Kogepunkt Kemisk reaktionsvillighed Fluor F 2 lysegul gas 220 C 188 C uhyre stor Chlor Cl 2 gulgrøn gas 101 C 34 C meget stor Brom Br 2 rødbrun væske 7 C 59 C stor Iod I 2 mørkviolette krystaller 114 C 184 C moderat 20

21 Figur 11. Ved stuetemperatur er dichlor en gulgrøn gas, dibrom er en rødbrun væske, der meget let fordamper, og diiod er et fast, mørkviolet stof. når man går ned gennem gruppe 17 (VII). Bemærk den gradvise ændring af smeltepunkt, kogepunkt og udseende. Der sker ret store ændringer i den kemiske reaktionsvillighed, når man går ned gennem denne hovedgruppe. Difluor reagerer særdeles voldsomt med næsten alt, hvorimod diiod er et ret fredsommeligt stof. I periodesystemet bag i bogen ser man nederst to rækker grundstoffer, som kaldes lanthanider og actinider. De skal placeres i forlængelse af henholdsvis lanthan (Z = 57) og actinium (Z = 89), og de minder særdeles meget om disse to grundstoffer. De er trukket ud som to særlige rækker for at gøre systemet smallere og mere overskueligt. Man har indtil nu (2011) navngivet grundstofferne med numrene fra 1 til 112. Af disse findes de 90»i naturen«. Resten (nr. 43, 61 og 93 til 112) er fremstillet ved atomkernereaktioner. Man kan lave nye grundstoffer ved at beskyde en tung atomkerne med en let atomkerne, som er accelereret op til stor fart. Hvis de to atomkerner bliver hængende sammen, har man fået en ny atomkerne, hvis atomnummer er summen af de to kolliderende kerners atomnumre (se figur 12 på næste side). Fremstillingen af nye grundstoffer henregnes under fysikken, da de eksperimentelle forhold er meget forskellige fra de betingelser, man anvender ved kemiske eksperimenter. De energimængder, der omsættes ved en grundstofomdannelse, er meget større end de energiomsætninger, man kender fra kemiske reaktioner. Ved en kemisk reaktion sker der ændringer i atomernes elektronsystemer, hvorimod atomkernerne ikke ændres. Atomernes art og antal bevares ved kemiske reaktioner, jævnfør afstemningen af reaktionsskemaer. 21