I kemin undersöker man ämnen. Man tar reda på var de finns, hur de ser ut, vilka egenskaper de har och hur de reagerar om de kommer tillsammans med andra ämnen. När man undersöker dem säger man att man laborerar. Laborera kommer från latinet och betyder arbeta. Man säger också att man experimenterar. Barn som leker experimenterar också. De öser sand i en hink och undersöker om den blir full, vad som händer om man vänder hinken upp och ned, tar reda på om man kan hälla i vatten när den redan är full av sand, och om man kan hälla i sand när den är full av vatten. I många år håller de på och experimenterar med sand och vatten. Ska vi göra samma sak i kemin? Leker vi också? Nej vi leker inte. Vilken är skillnaden?
Vi planerar (mera). Till exempel: "Idag ska jag undersöka hur bra socker löser sig i vatten." Då håller man sig till det och börjar inte plötsligt undersöka hur blandningen smakar, om man kan använda den som lim eller hårgel, eller om man kan koka blandningen.
Vi skriver upp vad vi iakttar (ser, hör, luktar, känner). Man skulle kunna tillfoga ordet "smakar" här, men vi hoppar över det, för i ett skollaboratorium brukar man inte smaka på blandningarna. Orsaken är att ovana människor som laborerar kan göra fel. Det finns en risk att något kärl inte har blivit ordentligt diskat eller att ett ämne som man inte borde äta har placerats på fel ställe. Man kan inte lita på att en blandning är oskadlig, fast man tycker att det är bara socker och vatten i den. Så vi iakttar med med de andra sinnena. Vi ser efter vad det är för färg och om det finns korn på bottnen - och skriver upp det. Vi känner efter om det blir varmt - och skriver upp det. Vi lyssnar om det fräser, och luktar på gaser - och skriver upp. Barnet i sandlådan skriver inte upp.
Vi funderar över vad vi iakttar, diskuterar det och försöker förklara det. Vi gör tabeller och diagram, vi skriver ner slutsatser. Det är viktigt för att lära sig kemi. Om ett barn i sandlådan funderar på sitt experimenterande eller något annat brukar man inte bry sig om det.
Platsen där man laborerar kallas laboratorium. Det betyder arbetsplats. Liksom i andra klassrum finns där plats att skriva på, bord och tavlor. Vilken är skillnaden jämfört med att annat klassrum?
Det finns skåp med laboratorieutrustning:
Gasbrännare
Stativ med klämmare och muff
Trefot med keramiskt nät
Pipetter
Många saker är av glas:
Bägare. Det brukar stå på dem hur många milliliter de rymmer. Små bägare kan vara 100 milliliters (1 deciliter)
Provrör. De kan inte stå själv, utan man ställer dem i ett provrörsställ.
E-kolvar. De ser ut som koniska flaskor.
Rundkolvar. De ser ut som runda flaskor.
Trattar. Man kan sätta i filtrerpapper.
Mätcylindrar. De används för att mäta vätskevolymer. Den är hög och smal, för att mätningen ska bli noggrann.
Skyddsrockar eller förkläden använder man för att skydda sina kläder. Normalt ska man inte spilla, men det finns en risk att det kommer vattenstänk, i synnerhet när man tappar vatten ur kranarna. Man kan då tycka att det bara är vatten som stänker, men om vattnet har stänkt upp från tvättställets botten, och det inte var rent där, då kan det vara mer än bara vatten man får på sig.
Ibland använder man skyddsglasögon, för man vill absolut inte att någonting ska stänka i ögonen.
Laboratorier är inredda med ordentligt med eluttag, vattenkranar och avlopp.
Mycket av inredningen och utrustningen är till för att förebygga olyckor och skador. Det finns dragskåp, som har en fläkt som drar ut rök och gaser. Om man gör ett experiment som kan ge ifrån sig rök, lukt eller annan gas kan göra det där. Det finns brandsläckare och brandfiltar. Det finns ett medicinskåp med plåster och ögonsköljvätska.
Just genom att man tänker så mycket på säkerheten är kemiundervisningen trygg. Det brukar inte hända så mycket olyckor. Det som det gäller att tänka på är att man inte leker i laboratoriet. Man får inte springa, inte ropa, inte skrämmas. För det är svårt att veta vad konsekvensen blir om någon blir tillknuffad när det finns både kemikalier, glasvaror och heta saker framme.
Den vanligaste olyckan är att någon bränner sig. Man har kanske precis lyft av en bägare från elden där man värmt den och ställt den åt sidan, och så glömmer man att den är het. Eller någon annan tar i den utan att tänka på att den kan vara het. Sådana små brännskador brukar gå över ganska snart. Man kan skynda på läkningen genom att omedelbart kyla ned det skadade stället. Man kan antingen spola med eller doppa ned i vatten, eller trycka skadan mot kall metall. Det är viktigt att man inte tappar det heta föremålet, för då kan det bli värre skador.
Man kan också bränna sig på eld, till exempel när man undersöker om ett ämne kan brinna. Det finns ämnen som brinner med nästan osynlig låga, till exempel metanol och etanol. Man måste vakta en sådan brasa så att inte någon ovetande kommer och bränner sig. Och man får komma ihåg att släcka den osynliga elden efter sig.
Det gäller att man kan samarbeta bra, både inom grupperna och mellan grupperna. Ibland kan det bli köande, som när alla vill diska samtidigt. Det får man räkna med och inte bli irriterad.
Demonstration av brandsläckare, brandfilt, nöddusch.
Om någon har tappat ett glaskärl, då gäller det att alla hjälps åt så att man får alla skärvorna uppsopade utan att laboratoriearbetet blir allt för mycket avbrutet, och utan att någon blir skuren. Skärvorna ska inte läggas i vanliga soporna.
En annan sak som inte ska läggas i vanliga sopor är utspillda kemikalier och kemikalier som blir över. Vad man ska göra av dem beror på vilka kemikalier det är. En del kan skada dem som tömmer soporna, andra kan förstöra soppåsen eller sopkärlet, en del kan självantända, en del skadar miljön. För att man ska veta på vilket sätt man ska vara försiktig finns det varningssymboler på kemikalieburkarna
Studieuppgift: Lär dig om varningssymbolerna (farosymbolerna).
Lab: Gasbrännaren
Varje elev i gruppen ska själv kunna tända och släcka gasbrännaren. Ni ska veta hur man reglerar luftflödet, så att man får en gul sotande låga eller en blå, ren, het ("hård") låga. Det som man kallar "gas" är ämnet propan, som är gasformigt när det strömmar ut ur behållaren, men som är hoptryckt till vätska inne i den. Man kan höra att vätskan skvalpar. Man ska inte vända på gasbehållaren, för då kan det rinna ut propanvätska.
På kinesiska heter kemi huaxue. Det betyder ordagrant förändringsvetenskap eller förvandlingslära. Man lär sig om vad som kan förvandlas. I sagoböcker kan man läsa om grodor som förvandlas till prinsar, och det finns trollkonstnärer som försöker ge intryck av att de förvandlar en näsduk till en kanin. Vi behöver kemi för att förstå skillnaden mellan sådana omöjliga förvandlingar och verkliga, kemiska förändringar. Vi vet att en kanin verkligen kan äta gräs och sen föda kaninungar. Vi behöver kemi för att förstå hur gräs kan förvandlas till kaninungar. Kemiska förändringar kan inte ske hur som helst.
Innan vi börjar med kemiska förändringar ska vi titta på en enklare sort av förändringar, som också är verkliga. Vatten kan frysa och förvandlas till is. Sen kan isen smälta - vad blir det då? Vatten brukar vi säga, men egentligen har det varit vatten hela tiden. Vattnet har bara bytt form, från flytande form till fast form och sedan tillbaka till flytande form. Det här kallar vi en fysikalisk förändring, när det hela tiden är samma ämne, som bara byter form. Man säger att vattnet byter aggregationstillstånd eller aggregationsform.
De tre aggregationstillstånden för vatten: Fast tillstånd (is) - vätsketillstånd (flytande vatten) - gastillstånd (vattenånga).
Det är inte bara vatten som har tre aggregationstillstånd. De flesta ämnena förändras på samma sätt. När det är kallt är stearin fast. När det blir varmt blir det flytande (vätska). Blir det ännu varmare bli stearinet gasformigt. Runtomkring oss har vi ämnen i alla tre formerna. Luften är gas, men kan kondenseras till vätska om man kyler den riktigt mycket. Och sen återgår den till gasform om den blir varm igen. Metaller är oftast fasta vid rumstemperatur, men smälta om man värmer dem, och stelnar sen om de igen svalnar till rumstemperatur.
Jod är ett lite ovanligt ämne. Vid vanlig temperatur består det av svarta små kantiga korn, kristaller. När man värmer dem förvandlas de direkt till gas, utan att bli vätska emellan. Och när man kyler denna jodgas blir det fasta kristaller igen. Jod hoppar liksom över vätsketillståndet. Man säger att jod sublimerar när den övergår direkt från fast till gas eller när det övergår direkt från gas till fast form.
Lab: Jod sublimerar.
Utförande: Några jodkristaller läggs på bottnen av en bägare. I stället för lock sätts en stor rundkolv fylld med kallt vatten utanpå bägaren. Bägaren värms på ett asbestnät över en gasbrännare.
Iakttagelse: När kristallerna blir varma ser vi att bägaren fylls av en violett gas. Efterhand försvinner kristallerna. Efter en stund försvinner den violetta färgen. Vi kan se att det har bildats kristaller på utsidan av den stora kalla rundkolven.
Förklaring: Den violetta gasen var jod. De fasta jodkristallerna förvandlades till jodgas när de blev varma. Vi kylde av den violetta jodgasen med en glaskolv som var kall på utsidan för att den innehöll kallt vatten. Då övergick gasen tillbaka till fast ämne, som fastnade på kolvens utsida. Jod har alltså övergått från fast form till gas och sedan till fast form igen. Detta är två fysikaliska förändringar.
Sublimera betyder att övergå från gas till fast ämne eller tvärtom utan att vara vätska däremellan. Vatten kan också sublimera ibland. På våren när det är varmt och solsken märker man ibland att snön eller isen på marken försvinner utan att det blir vått runtomkring. Den har övergått direkt i gasform. Och den motsatta processen, det är när det bildas rimfrost. Rimfrost är små fasta kristaller som inte kommer från vattendroppar utan från vattenångan i luften. På bilden nedan ser man alla övergångar som kan ske mellan ämnens olika aggregationstillstånd.
Pilar anger smältning, stelning (frysning), förångning (avdunstning, kokning), kondensering och sublimering. Ofta använder man samma ord "sublimera" på både den översta och den understa pilen, men man kan också säga "deponeras" för övergången från gas till fast ämne.
Ofta kan man precis veta vid vilken temperatur en sådan fysikalisk förändring sker. Vatten stelnar vid 0 grader Celsius, och då smälter is vid 0 grader Celsius också. Vatten kokar vid 100 grader Celsius, och ånga kondenseras alltså vid samma temperatur. Man säger att fryspunkten (eller smältpunkten) är 0 grader och att kokpunkten är 100 grader.
Vatten kan faktiskt förångas också vid lägre temperatur än kokpunkten. Då säger man inte att det kokar utan att det avdunstar. Då bildas det inga ångbubblor inne i vätskan. Avdunstningen sker bara vid ytan. Det går långsamt och sker bara om ytan inte är täckt med något slags lock. Avdunstning sker snabbare om det blåser eller fläktar på ytan, så att ångan snabbt försvinner.
Allt ovanstående är fysikaliska förändringar. Men ibland när man värmer ett fast ämne händer det att det förändras mera djupgående, så att det inte förändras tillbaka bara för att det svalnar. Om man till exempel tänder eld på gasen i en gasbrännare bildas det helt nya ämnen, till exempel koldioxid. De nya ämnena kan vara fasta, flytande eller gaser. De kan se helt annorlunda ut. Detta är en kemisk förändring - när det bildas ett eller flera nya ämnen. Sådana ska ni lära er mycket om längre fram, men före det ska vi i nästa avsnitt undersöka blandningar. Om man blandar ihop olika ämnen utan att de förändras, hur kan man då skilja dem åt.
För det mesta brukar ämnen vara hopblandade. Man kan till exempel tydligt se att sand består av mörka korn och ljusa korn, och också att trä består av flera ämnen, vissa mörkbruna och andra ljusbruna. Sand och trä är alltså blandningar av flera ämnen. Med förstoringsglas kan vi se olika beståndsdelar även i stål och mjölk. Man säger att alla dessa blandningar är heterogena. Det betyder att olika delar ser olika ut. Det finns också sådana blandningar där ämnena är så fint fördelade att de ser helt homogena ut. Sådana blandningar kallas lösningar. Te är en lösning. Te består av mest vatten men också av några ämnen som ger det färg och smak. De här ämnena kanske är fasta, men de har blandat sig i vätskan så fint att man inte ser några korn eller någon grumling. Man förstår att de finns där eftersom smaken och färgen har ändrats. Det fasta ämnet har löst sig. På samma sätt kan socker eller salt lösa sig i vatten. Då ändras inte ens färgen. Fett kan lösa sig i bensin (eller i fläckuttagningsmedel). Vätskan kallas lösningsmedel. Vatten och bensin är två olika slags lösningsmedel.
Ibland löser vätskan bara lite av det fasta ämnet. Då kallas den för "ett dåligt lösningsmedel för ämnet". Annars är den ett "bra lösningsmedel" för det ämnet.
Ingen vätska löser alla ämnen. Bensin och aceton löser fett men inte salter. Vatten löser salter men inte fett. Man säger att salt är lättlösligt i vatten medan fett är svårlösligt i vatten.
När man ska undersöka om ett ämne är lösligt i en viss vätska ska man ta bara en liten mängd av ämnet. Om man har för stor klump kan det vara svårt att se om delar av den har börjat lösa sig, för man ser bara att det mesta är kvar. Tar man däremot bara några få små korn och ser att inte ens de löser sig, då förstår man verkligen att lösningsmedlet är dåligt för ämnet och att ämnet är svårlösligt i detta lösningsmedel.
Det går snabbare att lösa ett ämne om man rör om eller skakar om. Ibland kan man också värma för att få ämnet att lösa sig snabbt. Ju mer man skakar eller rör om, desto mer av ämnet brukar gå i lösning. Det brukar också gå bättre om man finfördelar ämnet. Men hur mycket man än skakar, rör om eller finfördelar, så kommer man till gränsen där lösningsmedlet inte längre tar emot mera ämne. Resten av ämnet blir kvar olöst. Då säger vi att lösningen har blivit mättad.
Sammanfattning om ämnen och blandningar
Ett rent ämne kan vara fast, flytande eller gasformigt.
En blandning av flera rena ämnen kan vara heterogen eller homogen.
Homogen betyder att man inte kan urskilja de ingående ämnena.
Heterogen betyder att vi kan urskilja de olika ämnena.
Homogena blandningar kallas lösningar.
När man löser ett fast ämne i en vätska kallas vätskan för lösningsmedel.
När vätskan inte kan lösa mera av det fasta ämnet säger vi att lösningen är mättad.
Om man kan lösa mycket ämne i en vätska innan lösningen blir mättad säger vi att ämnet är lättlösligt.
Ett ämne som man inte kan lösa mycket av i vätskan är svårlösligt.
Socker är lättlösligt i vatten. Sand är mycket svårlösligt i vatten (olösligt).
Löslighet betyder hur mycket som kan lösa sig: Vatten kan lösa mycket av salt men mycket lite fett. Man säger att salt är lättlösligt i vatten, medan fett är svårlösligt i vatten. Med bensin är det tvärtom: Salt är svårlösligt i bensin, medan fett är lättlösligt i bensin.
Upplösningshastighet. Även om ett ämne är lättlösligt i ett lösningsmedel kan det ta lång tid för det att lösa sig. För att få ett pulver att lösa sig snabbt kan man finfördela det med en mortel. Ett annat sätt är att värma lösningen. Ett tredje sätt är att röra om. Alla tre sätten ökar upplösningshastigheten.
Lab: Lösningsmedel
Uppgift: Vi ska undersöka olika fasta ämnens löslighet i vatten, som brukar kallas ett polärt lösningsmedel, i bensin som brukar kallas ettopolärt lösningsmedel, och i etanol som är mitt emellan polärt och opolärt.
Ämnena vi undersöker är: vanligt salt (koksalt), socker, stearin, kaliumpermanganat.
Utförande: Gör en tabell med rutor för alla kombinationer av lösningsmedel och fast ämne. Eventuellt kan man finfördela ämnena med en mortel först, så blir det lättare att se om det löser sig. För varje ämne i varje lösningsmedel tar man först en mycket liten portion av ämnet och några milliliter lösningsmedel i ett provrör. Skaka om provröret genom att knäppa på det med fingret och gör iakttagelser. Om ämnet inte löser sig kan man sätta till mera lösningsmedel. Om ämnet däremot löser sig provar man att sätta till mera av ämnet.
Slutsats: Skriv ner fakta som har framgått av försöket, till exempel: "Salt och socker löser sig bra i polära lösningsmedel såsom vatten. De löser sig dåligt i mera opolära lösningsmedel såsom bensin eller aceton. Med stearin är det tvärtom..."
Separera betyder att skilja ut beståndsdelarna i en blandning. Det finns många metoder att ta ut ämnen från en blandning. I vissa fall kan vi plocka isär kornen med en pincett. Det är en separationsmetod. Om blandningen består av en vätska och ett fast ämne kan man separera dem genom att dekantera, filtrera, indunsta eller destillera.
1. Dekantering betyder att hälla av vätska ur en bägare så att det fasta ämnet som den varit blandad med blir kvar på bottnen.
2. Filtrering. Det man gör när man filtrerar en blandning är att man silar blandningen genom ett filtrerpapper som man har i en tratt. Filtrering fungerar om man har en blandning av en vätska och ett ämne som är olösligt i den vätskan. Man kan filtrera sand från vatten eller sand från en saltlösning. Sanden blir kvar i filtrerpappret men vätskan rinner ut genom filtrerpapprets porer. Den vätska som rinner igenom kallas filtrat. Filtrering används bland annat när man gör kaffe, för att få bort sumpen från drycken.
3. Om ett fast ämne är löst i vätska kan man låta vätskan avdunsta så att det fasta ämnet blir kvar. Det kallas indunstning. När man tillverkar salt tar man havsvatten och låter vattnet avdunsta så att bara salt blir kvar. Man bryr sig då inte om att ta till vara vattnet. När man indunstar en saltlösning kan man antingen göra det vid hög temperatur eller vid rumstemperatur. Vid hög temperatur är det risk att det börjar stänka vid kokningen. Vid rumstemperatur tar det lång tid (dagar eller veckor) innan lösningen blir mättad. Efter det att den blivit mättad börjar det bildas saltkristaller. Man säger att ämnet kristalliserar eller att det faller ut.
4. I vissa länder är det tvärtom: Man har gott om salt men brist på saltfritt vatten att dricka och vattna grödan med. Då tar man tillvara vattnet i stället för saltet. Det finns flera metoder för att avsalta havsvatten. Om man, liksom vid indunstning, använder värme så att vattnet blir gas (ånga) kallas det destillation. Ångan leds åt sidan och kyls så att den kondenseras som vattendroppar, som samlas upp. Dessa droppar innehåller inget salt. destillat kallas den vätska som vid en destillation kondenseras ur ångan.
Man kan använda destillation också om man ska skilja åt två vätskor som är blandade. För att det ska gå måste de ha olika kokpunkt, det vill säga de ska koka vid olika temperatur. Blandningen värms upp i en kolv tills den når den temperatur då den ena börjar koka men inte den andra. Ångan som stiger upp då består mest av det lättkokande ämnet (det med lägre kokpunkt), medan det mesta av det svårkokande ämnet blir kvar i kolven. Man kyler ångan och samlar upp den, till exempel i ett provrör. Först när det mesta av det lättkokande ämnet gett sig av börjar temperaturen stiga. Innan temperaturen blir så hög att den andra vätskan börjar koka avbryter man destillationen, så att man inte får med den i provröret. Destillatet där består då mest av det lättkokande ämnet medan det svårkokande mest är kvar i den ursprungliga kolven. På så sätt har vi separerat de två vätskorna – delvis. Helt rena ämnen får man inte. Det finns alltid kvar rester av det andra ämnet, men om vi upprepar destillationen flera gånger kan separationen bli mera fullständig.
Lab: Separering av salt och sand.
Uppgift: I en intorkad vattenpöl vid havsstranden har man hittat man salt. Tyvärr är det blandat med sand och stickor, så att man inte direkt vill använda det i matlagningen. Du får lite av en sådan blandning. Din uppgift är att tillverka rent koksalt. Du får själv komma på hur du ska göra.
Utförande och iakttagelser: Vi började med att hälla blandningen i vatten och röra om så länge så att alla saltklumpar skulle lösa sig. Sen använde vi tre separationsmetoder: Vid dekanteringen stannade det mesta av sanden kvar i bägaren. Vid filtreringen fick vi bort resten av grumset, så att filtratet var en klar lösning. Vi kokade lösningen en stund så att det mesta av vattnet avdunstade. Sen lät vi bägaren stå öppen i flera dagar för indunstning. Under de dagarna växte det långsamt fram kvadratiska kristallplattor av koksalt. De blev till slut stora och vackra.
Lab: Mätning av kokpunkten för vatten och saltlösning
När man kokar i en bägare på en trefot får man vara försiktig så att inte bägaren stjälper. För att minska olycksrisken ska man inte sitta nära kokuppställningen. Kokpunkten för rent vatten är mycket nära 100 grader. När ett fast ämne är löst i vatten brukar kokpunkten vara högre än 100 grader. Man kan därför ibland ta reda på om en vätska är rent vatten eller inte genom att koka den och iaktta kokpunkten.
Problemlösningsuppgift: Tänk dig att du bor i en ökentrakt där det är mycket svårt att få vatten att dricka och för att vattna sina odlingar. Havsstranden är alldeles nära, men havsvattnet innehåller alldeles för mycket salt för att man ska kunna använda det att dricka eller vattna odlingarna med. Diskutera i grupp och hitta på ett sätt att få saltfritt vatten ("sötvatten") ur havsvattnet. Rita en ritning av anläggningen som skiljer ut saltet från vattnet och förklara noga hur den fungerar. Läs om avsaltning på Wikipedia.
Lab: Destillering av en vattenlösning (elevuppgift)
Lab: Separering av vatten och etanol genom destillation (demonstration)
Kontrollera att du förstår följande ord: destillationskolv, kolv med avledningsrör, koksten, kylare, förångas, kondenseras, kokpunkt, separering. Om du inte kan förklara vad de betyder kan du läsa om dem på Wikipedia.
Efter laborationerna ska du kunna följande om destillation:
Rita en destillationsapparat och förklara hur den fungera.
Montera en enkel destillationsapparat.
Pröva vilken vätska det är som samlas i uppsamlingskärlet genom att tända eld på ett prov.
Veta hur pass försiktig man ska vara med det eldfarliga ämnet etanol.
Lägga märke till hur temperaturen ändras under destillationens gång.
Förstå vad som händer med de olika ämnena i en blandning under destillationens gång.
Lägga märke till vad som händer med det röda färgämne som var inblandat i etanolen.
Veta att kylvattnet leds in och ut så att det aldrig blandas med de ämnen som man destillerar. Det är alltid en tunn glasvägg emellan.
Kromatografi är en separationsmetod som är lämplig när man har mycket små mängder av en blandning. Vid brottsökningar vill man till exempel undersöka om en viss text kan ha skrivits med en viss penna. Bläcket i pennor är blandningar av olika färgämnen. Man kan skilja sådana sammanblandade ämnen åt för att de är olika starkt lösliga i en vätska och sätter sig fast olika starkt i en pappersyta.
Som lösningsmedel kan man använda etanol. Man ritar fläckar på filtrerpappret med olika pennor. När man håller en kant av filtrerpappret neddoppad i vätskan börjar vätskan sugas uppåt och drar då med sig en del av de färgämnen som fastnat på pappret. En del pennor innehåller flera färgämnen. Det kan man se för att de vandrar olika snabbt med vätskeströmmen. De ämnen som löser sig lätt i alkohol vandrar snabbt. De ämnen som är svårlösliga i etanol sitter kvar på samma plats på pappret. Där man från början hade en fläck av färgblandningen, får man på slutet två fläckar av olika färg, en som är kvar på det ursprungliga stället och en som har rört sig med vätskan. Ibland kan det bli flera fläckar, som har rört sig olika mycket.
Lab: Separering av färgämnen mad kromatografi
Utförande: Klipp till ett filtrerpapper så att det får tre raka kanter som precis passar in i en bägare. En och en halv centimeter från nederkanten ritar man en rad med små prickar med olika tuschpennor. En av prickarna ska vara ritad med två olika pennor. Sätt med pipett ett cirka en centimeter högt lager med etanol i bägaren och ställ försiktigt ner filtrerpappret i mitten så att nederkanten fuktas. Prickarna får inte doppa ner under vätskeytan. När etanolen sugs upp i pappret ska man låta bägaren stå alldeles stilla och iaktta om prickarna flyter med etanolen eller sitter kvar på pappret eller delar upp sig.
Etanol består av små delar som kallas etanolmolekyler. Färgämnena i tuschpennor består av andra sorts molekyler. Det finns flera miljoner olika slags molekyler. De är så små att man inte kan se dem. Kemi handlar mest om att lära sig så mycket som möjligt om molekylerna.
En matsked vatten innehåller sexhundratusen triljoner vattenmolekyler. Det är ett tal med en sexa med 23 nollor efteråt. Det talet kommer ni att lära er mer om, om ni fortsätter att studera kemi efter grundskolan. En portion som innehåller så många molekyler kallas en mol av molekylerna. En mol vatten fyller en matsked. En mol etanol är nästan tre matskedar, eftersom etanolmolekylerna är större. I våra kroppar finns många slags molekyler. En del är mycket stora, men ändå allt för små för att vi ska se dem.
Alla molekyler består av atomer som är bundna till varandra med bindningar. Man kan förstås inte se atomerna men vi tänker oss ibland att de är som små runda kulor. När vi bygger modeller av dem använder vi svarta kulor med fyra hål i som kolatomer och vita kulor med ett hål för väteatomer. Bindningar kallar vi pinnar som vi sätter in i hålen. Hur bindningar är i verkligheten är mycket svårt att veta. När vi ritar en formel för en molekyl använder vi stora bokstaven C för att beteckna en kolatom och stora bokstaven H för att beteckna en väteatom. Man ritar streck mellan bokstäverna för att beteckna bindningar. Senare kommer ni att lära er andra atomslag.
I en molekyl ska alla hål vara igenpluggade av en bindning och inga bindningspinnar får spreta ut. Är det inte så, då har man byggt sin modell fel och kan inte använda den för att förstå verklighetens molekyler.
Exempel på molekyler man kan bygga:
Med en kolatom och fyra väteatomer kan man bygga en metanmolekyl. Sådana finns i sumpgas som bildas i gyttja och stiger upp som bubblor.
Med tre kolatomer och åtta väteatomer kan man bygga en propanmolekyl. Sådana finns i gasbrännarens gasbehållare och används som bränsle.
Med två väteatomer kan man bygga en vätemolekyl. Sådana finns i vätgas. Man använde den förr i ballonger, eftersom den är så lätt, men man har slutat med det eftersom den är eldfarlig.
Lab: Bygge av modeller av molekyler bestående av kol- och väteatomer
Uppgift: Bygg modeller av olika molekyler. Rita strukturformel, det vill säga skriv C eller H för varje atom och dra ett kort rakt streck mellan dem för varje bindning. Skriv också bruttoformel. Det betyder att man bara skriver ett C och ett H. Nere till höger efter bokstaven skriver man en siffra som anger hur många atomer det finns av den sorten. Om siffran är 1 ska man inte skriva ut den. Fråga läraren vad ämnet heter, som har sådana molekyler, och skriv ner det. Ställ frågor till varandra: "Hur många kolatomer har den här molekylen? Hur många bindningar har den? Vad heter den? ..." De ämnen som består av kol- och väteatomer kallas kolväten. Ni kommer att lära er mer om dem senare.
Ett rent ämne innehåller bara en sorts molekyler. Exempel: Etanol är ett rent ämne. Det innehåller bara etanolmolekyler. Vatten är ett rent ämne; vatten innehåller bara vattenmolekyler. Mjölk är däremot inget rent ämne. Mjölk är en blandning. Den innehåller både vattenmolekyler, olika slags proteinmolekyler, fettmolekyler och kolhydratmolekyler.
Det finns ungefär hundra olika slags atomer. De tre viktigaste är kol, väte och syre. Allt levande består till största delen av dessa tre slags atomer. När man vet det, då förstår man också att en ylletröja mest består av kol, väte och syre, för ylle kommer ju från fårens ull, och får är levande varelser. En stol är gjord av trä, som kommer från växtriket, så den består mest av kol, väte och syre.
Syreatomen betecknas med en röd kula med två hål, och med stora bokstaven O när man skriver formler.
Lab: Bygge av molekylmodeller som bestående av kol- och väteatomer, samt en syreatom
Uppgift: Samma som tidigare, men nu får du även använda en syreatomer. Bygg modeller av olika molekyler, rita strukturformel, skriv bruttoformel. Fråga läraren vad ämnet heter, som har sådana molekyler. Ställ frågor till varandra: "Hur många syreatomer, hur många väteatomer, har den här molekylen? Hur många bindningar har den? ...".
Ni har byggt molekyler som består av tre slags atomer, av två slags atomer och kanske också några som består av bara ett slags atomer. Ett ämne som består av bara ett slags atomer kallas grundämne. Det finns alltså ungefär hundra grundämnen.
Grundämnet väte eller vätgas består av väteatomer, H (vita kulor med ett hål). Det finns två atomer i varje vätemolekyl.
Grundämnet syre eller syrgas består av syreatomer, O (röda kulor med två hål). Det finns två atomer i varje syremolekyl. Syre finns i luften.
Grundämnet kol består av kolatomer, C (svarta kulor med fyra hål). Det har ni inte byggt, för kol-kulorna har fyra hål, och då blir så många bindningar mellan atomerna så att molekylerna blir mycket stora, fler än antalet kulor ni hade. Därför är grundämnet kol ett fast ämne.
Ett ämne som inte är grundämne, och som alltså innehåller mer än ett slags atomer, kallas förening eller kemisk förening. Det finns miljoner olika föreningar. Att man kan bygga så många är för att kol-kulorna har så många hål, så att man kan fortsätta att foga ihop fler och fler till långa kedjor.
Vatten består av vattenmolekyler. Varje vattenmolekyl består av två väteatomer och en syreatom: H-O-H eller H2O. Koldioxid består av koldioxidmolekyler. Varje koldioxidmolekyl består av en kolatom och två syreatomer. Strukturformeln är O=C=O. Bruttoformeln är CO2.
I den här tabellen finns det några rutor som inte är ifyllda. Kan du lista ut vad det ska vara där?
Molekylmodell
Strukturformel
Bruttoformel
Namn
Användning
Förekomst
H2O
Att dricka, vattna växter med, som lösningsmedel
I hav, sjöar, moln
O = C = O
Koldioxid
Behövs för att växterna ska kunna leva
Finns i luften vi andas ut
C3H8
I gasolkök, gasbrännare
I oljekällor och gaskällor i jorden
Det finns en del ämnen som inte egentligen består av molekyler. Dem ska vi återkomma till senare. Också för dem gäller det att de är grundämnen om de har bara ett slags atomer och föreningar om de har flera slags atomer.
Nu kommer vi till det viktiga i kemin - hur ämnen kan förändras så att de blir andra ämnen. Hur de reagerar. För att förstå det har ni tidigare lärt er om andra förändringar, sådana där inga nya ämnen bildas, till exempel kokning. Sen har ni lärt er hur kemister arbetar: De blandar ämnen och de separerar ämnen som är blandade. Vi arbetade då hela tiden med ämnen som inte reagerar. Sanden som var blandad med saltet fanns kvar som sand i filtrerpappret.
Nu ska vi undersöka reaktioner, hur ämnen reagerar. Hur det går till kan man förstå om man tänker på att ämnen innehåller molekyler och att molekylerna är uppbyggda av atomer.
Tänk er att vi har en molekyl och bygger om den, så att den blir förändrad. Man tar lös de atomer som finns i den och sätter ihop samma atomer så att det blir en annan molekyl. Det är precis det som är en reaktion. Det blir en ny sorts molekyl, men alla atomerna finns kvar. Och det behöver inte vara så att man får bara en molekyl på slutet. Man kan starta med en stor molekyl och bygga om den till flera små molekyler. Eller man kan börja med flera molekyler och bygga ihop dem till en molekyl. Eller man kan börja med flera molekyler och göra om dem till flera molekyler som är av ett annat slag. Allt detta är kemiska reaktioner, bara man ser till att man inte slarvar bort någon atom på vägen och inte plockar in någon som inte fanns med från början. Det man hade från början kallas utgångsämnena, det man får på slutet kallas reaktionsprodukterna. Tillsammans måste det finnas lika mycket av varje atomslag på slutet som i början.
Nu har vi tänkt på molekylmodeller. I verklighetens reaktioner kan man inte se molekylerna, men det är samma sak som händer där. Om man till exempel eldar en brasa i spisen, då säger man att veden brinner. Alla de molekyler som fanns i veden finns inte längre. De har rivits. Men atomerna finns kvar någonstans. Det är sådant som kemister undersöker: Var finns de? Vad har det blivit för ämnen av dem? Man finner att de har gått upp genom skorstenspipan. Man undersöker röken och hittar koldioxidmolekyler där. Man upptäcker att röken är fuktig, att där finns vattenmolekyler. Då vet man att reaktionsprodukterna är koldioxid och vatten.
Man undersöker också vad som sker om man inte har dragluckan öppen eller på glänt. Då kan veden inte brinna. Det behöver komma till ny luft hela tiden. Det är syret i luften som är nödvändigt. Utgångsämnena vid reaktionen är alltså syre och någonting i veden. Tills vidare skriver vi reaktionen med denna reaktionslikhet:
syre + ved → koldioxid + vatten
Man skriver alltså utgångsämnena till vänster med plustecken emellan om de är flera. Reaktionsprodukterna skriver man på samma sätt till höger. Och däremellan ska det stå en pil som visar åt vilket håll reaktionen går.
En kemisk reaktion är alltså när ämnen förvandlas till andra ämnen. Ofta behövs det värme för att en reaktion ska starta. Värme är i själva verket rörelse, att molekyler rör sig. Exempel på hur en kemisk reaktion startar:
I gasbrännarens gasbehållare finns det propangas. Den består av propanmolekyler. När man öppnar gaskranen kommer propanmolekylerna ut och blandar sig med syremolekyler och andra molekyler i luften. Ingenting annat sker. Det sker ingen reaktion innan man för en brinnande tändsticka till munstycket. Tändstickans låga är så het att propanmolekylerna börjar röra på sig så häftigt att de skakar sönder. Det är som när man plockar lös kulorna i modellen. Men de kan inte vara lösa länge. Öppna hål och spretande bindningar kan inte existera länge, så atomerna slår blixtsnabbt ihop sig igen - och då ofta på ett annat sätt, så att det bildas nya molekyler. Det bildas koldioxidmolekyler och vattenmolekyler. Reaktionslikheten kan skrivas så här:
propan + syre → koldioxid + vatten
Sen kan man ta bort tändstickan, för vid själva sammanslagningen får atomerna sådan fart så att de slår till nya molekyler som börjar reagera i sin tur. Man säger att reaktionen skapar tillräckligt med värme för att fortsätta att håller sig i gång. Så länge det finns gas och syre fortsätter därför lågan att brinna.
Uppgift: Håll en bit magnesium i en eldslåga en stund.
Iakttagelser: Värmen startade reaktionen. När den väl kommit igång bildades det värme så att reaktionen fortsatte av sig själv och sände ut ett starkt vitt ljussken. Det som blev kvar av magnesiumet var ett vitt pulver.
Förklaring: Magnesium är en metall. I luften finns gasen syre. När de reagerar med varandra bildas ett vitt fast ämne, som heter magnesiumoxid.
Reaktionslikhet med namn: magnesium + syre → magnesiumoxid.
Magnesium består av bara magnesiumatomer, syre innehåller bara syreatomer. De är alltså grundämnen. Men magnesiumoxiden har två olika slags atomer i sig, både magnesiumatomerna och syreatomerna. Man brukar säga att magnesium och syre har "förenat sig", att det bildas en "förening", eller "kemisk förening". En förening är alltså ett ämne som inte är ett grundämne. En förening innehåller flera slags atomer.
Reaktionslikhet: Mg + O2 → MgO2
Lab: Oxidation av järn. Stålull består mest av järnatomer. När en kant av en stålullsbit upphettas med en tändsticka förenar sig järnatomer med syremolekyler. (Två järnatomer plus en syremolekyl blir till två järnoxid"molekyler".) Det bildas värme hela tiden under reaktionen så att reaktionen sprids längs järntrådarna. Man ser att trådarna lyser upp. Järnoxid är ett fast ämne. Om stålullen är upphängd i en våg som är i balans ser man att det som bildats är tyngre än den stålull man hade från början. Det är för att det kommit till syreatomer.
Lab: Oxidation av svavel. En svavelatom plus en syremolekyl blir en svaveldioxidmolekyl. Svavel är ett gult fast ämne. Svaveldioxid är en gas med stickande lukt. Man använder dragskåp för att inte svaveldioxiden ska komma ut i klassrummet. För att reaktionen ska starta får man värma upp svavlet i en metallsked över en gaslåga. När den väl startade bildas det värme så att reaktionen fortsätter. Man ser en blå låga.
Lab: Oxidation av kol.
En träkolsbit upphettas över en gaslåga. Det syns att den glöder. När man blåser på den glöder den starkare. Det är för att det kommer till flera syremolekyler. Där reaktionen sker bildas det värme. En kolatom plus en syremolekyl blir en koldioxidmolekyl.
De flesta grundämnen kan reagera med syre. En förening som innehåller syreatomer kallas en oxid. (Finns det två syreatomer i varje molekyl kallas den dioxid.) Exempel på oxider: koldioxid (gas), svaveldioxid (gas), magnesiumoxid (vitt fast ämne), järnoxid (mörkt fast ämne).
När det bildas oxid säger vi att det sker en oxidation. Man kan också säga att det sker en förbränning. I synnerhet använder man orden förbränning och brinna när man talar om en snabb reaktion vid hög temperatur där man ser eld. Men det är inte fel att säga att det sker förbränning i en kompost, där löv och avfall förmultnar när de långsamt förenas med luftens syre. Oxidation kan man också säga, och ni kommer senare att lära er att man ibland även kan säga oxidation när det inte bildas oxider, utan bara bildas ämnen som liknar oxider.
Vi framställde syrgas ur väteperoxid. Då använde vi en katalysator. Det är ett ämne som behövs för att reaktionen ska ske eller ske snabbare, men som inte går åt i reaktionen.
Katalysatorn var mangandioxid, även kallat brunsten. Det är ett svart pulver. Vi hade en spateludd med mangandioxid i bottnen av en rundkolv och tillförde utspädd väteperoxid droppvis genom en dropptratt. Genast när väteperoxidmolekylerna träffade mangandioxiden sönderdelades de så att det bildades vattenmolekyler och syremolekyler. Kolven var tillproppad så syrgasen kunde bara ta sig ut genom avledningsröret. Den fick bubbla upp i vattenfyllda uppochnedvända provrör och kolvar som hölls med mynningarna under vattenytan i ett tråg.
väteperoxid → vatten + syre
Det här är en sönderfallsreaktion. Väteperoxid sönderdelas i två ämnen. Det sker bara om det finns en katalysator närvarande. Och när det har skett finns katalysatorn kvar. Utan katalysator kan man förvara väteperoxid i en flaska i många år utan att den faller sönder.
Vi kan rita samma reaktionslikhet lite noggrannare, så att man kan se de enskilda atomerna och bindningarna. Då är det bäst att rita två väteperoxidmolekyler. Då ser man att var och en ger bort en syreatom, så att de förvandlas till vattenmolekyler. Syreatomerna slår ihop sig till en syremolekyl. Öva dig att bygga denna reaktion. Bygg först två väteperoxidmolekyler och bygg sedan om dem. Öva dig att rita formel för det som sker.
H-O-O-H + H-O-O-H → H-O-H + H-O-H + O=O
Den gas vi samlade upp i de första provrören var uppblandad med luft som var kvar i rundkolven från början. Det kunde vi se när vi sänkte ner en glödande trästicka i provröret. Ingenting speciellt hände. I de senare provrören och kolvarna kunde vi däremot se att glöden flammade upp så att stickan började brinna igen. Det var för att syremolekylerna är mera koncentrerade än i luft.
Vi undersökte hur andra ämnen reagerar med ren syrgas och resultatet var detsamma. De reagerar snabbare i ren syrgas än i luft som bara delvis består av syrgas. Svavel oxideras med en starkare lysande blå låga i syrgas än i luft. Stålull oxideras med starkt lysande sken i syrgas men glöder bara lite i luft.
Lab: Reaktion mellan svavel och järn.
Både svavel och järn är fasta ämnen. När temperaturen är hög slår sig varje järnatom ihop med en syreatom. Det bildas järnsulfid. För att det inte ska bli vare sig järnatomer eller svavelatomer över väger vi upp lika många atomer av vardera ämnet. Järnatomerna är tyngre, så därför behövs det större vikt av järn. Proportionerna ska vara som 56 gram järn på 32 gram svavel. Vi gör en åttondels sats, så det blir 7 gram järn och 4 gram svavel.
De uppvägda mängderna av utgångsämnena mortlas samman så att kornen blir små och välblandade. Då är det lättare för svavel- och järnatomer att hitta fram till varandra. Trots att de mortlade partiklarna är små är blandningen inte homogen. Man kan se partiklarna med ett förstoringsglas. (Om man vill enkelt separera järnkornen från svavlkornen med en magnet.) Blandningen hälls i ett provrör. Det upphettes över en gaslåga. När reaktionen kommer igång börjar provrörsinnehållet glöda. Där provröret svalnat petas innehållet ut. Det är reaktionsprodukten. Den är homogen och mörkgrå.
Vad som påverkar hur snabbt reaktioner sker:
Temperaturen: De flesta reaktioner sker snabbare om temperaturen är hög. Molekylerna rör sig mera så att bindningarna lätt brister.
Katalysator: En liten mängd katalysator kan få reaktionen att gå mycket snabbare. Väteperoxid kan till exempel stå i åratal i sin flaska utan att molekylerna sönderfaller, men om de kommer i kontakt med en lämplig katalysator faller de sönder på några minuter.
Finfördelning och blandning gör att molekylerna kommer nära de molekyler de ska reagera med så att reaktionen går lättare. Det är till exempel svårt att bränna upp en spik eller järnten. Med stålull går det lättare för luftens syremolekyler kommer in mellan de fina järntrådarna. Det går långsammare att elda stora vedklabbar än fina stickor. Sågspån brinner ännu snabbare, och slipdamm i ett snickeri kan explodera om det är blandat med tillräckligt med luft. Det är trä plus syre i alla fallen. Finfördelningen avgör hur snabbt reaktionen mellan dem sker.
Koncentrationen: Om ämnena är koncentrerade stöter de lättare på precis de molekyler de ska reagera med. I luft finns det bara en femtedel syre (20%) och fyra femtedelar kväve, så det är en massa kvävemolekyler i vägen som hindrar att syremolekylerna kommer fram till bränslet. I rent syre (100%) sker förbränning snabbare. Vi har visat det med stålull, trä och svavel.
De närmaste veckorna kommer du att lära dig organisk kemi. Organisk kemi handlar om ämnen som innehåller kolatomer. Det finns så många sådana ämnen, faktiskt flera miljoner, så att man inte har en chans att lära känna alla. Men det är ändå många som man vill veta en del om - ättika, alkohol, gasol, olika slags oljor, fetter, kolhydrater - bland annat för att de är viktiga i vårt dagliga liv. För att inte blanda ihop olika ämnen får man tänka lite extra på sin studieteknik, hur man ska hålla reda på namnen och hur man ska ordna in ämnena i olika grupper eller klasser.
När man letar information på nätet eller läser läxor, hur ska man göra för att inte glömma? Tidigare i kemin har ofta det viktiga varit att man ska förstå, för det man en gång har förstått glömmer man inte så lätt. Senare kommer det ibland att bli så igen, men just nu är själva förståendet ganska lätt, men man kan inte nöja sig med det utan får anstränga sig att plugga in ord och namn, ändelser och förstavelser. Det blir lite som att lära sig språk. Då är det viktigt med repetition.
Så här kan man göra: Man läser ett avsnitt - kanske i fyra minuter. Sen stänger man boken eller lägger undan sidan, tar fram ett papper och skriver ner allt man minns. Sen räknar man hur många fakta man fått med. Det var kanske två. Man ser efter hur många fakta det fanns i avsnittet - kanske 20. Två av 20 räcker inte för godkänt. Då öppnar man boken igen och läs i fyra minuter igen, stänger och skriver: kanske 6 av 20 nu. Läs upp för någon annan och kolla att det är rätt uttryckt. Gör det en tredje gång, en fjärde. Kommer man upp i 15 av 20 så räcker det gott. Då kan man läxan. Nästa dag, när man har gjort en massa annat emellan, då har man förstås glömt. Då kanske man vill skriva igen. Eller läsa. Eller det kanske börjar löpa av sig självt. Träningen har gjort att man inte längre blandar ihop saker. Man vet precis skillnaden mellan propan och etanol. Och en massa andra ämnen. Det behövs senare för att man ska få förståelse på djupet.
Molekyler som innehåller kolatomer kallas organiska molekyler
Man brukar dela in alla ämnen i två grupper: organiska och oorganiska ämnen. Organiska ämnen hittar man i växter och djur. Det man äter kommer från växt- och djurriket. Alla kolhydrater, fetter och proteiner är organiska ämnen. Ättiksyra, citronsyra och aceton är också organiska ämnen.
Oorganiska ämnen är vad som mest finns i den livlösa naturen, i "mineralriket" (stenriket). Salt, vatten, gips är oorganiska ämnen. Saltsyra och svavelsyra är också oorganiska. Förr trodde man att det behövdes helt olika slags tänkande för att förstå de båda sorternas ämnen, de organiska och de oorganiska. Man trodde att det behövdes någon speciell slags livets kraft för att tillverka organiska ämnen. Numera vet man att det går att tillverka organiska ämnen även av råvaror som finns i den livlösa naturen. Den viktiga skillnaden är att det finns kolatomer (och också väteatomer) i molekylerna i alla organiska ämnen. De närmaste veckorna kommer du att lära dig olika klasser av organiska ämnen. Först lär du dig om kolväten, sen om alkoholer, sen några andra. Varje klass är i sin tur indelad i olika klasser, underavdelningar. Man säger att man har klassificerat ämnena. När man vet till vilken klass varje ämne hör blir det lättare att hålla reda på dem. Och ämnen som hör till samma klass har namn som slutar på samma ändelse.
Vad är detta som visas på bilden till höger? Man kan säga att det är en molekyl eller en modell av en molekyl.
Vad är skillnaden mellan modell av en molekyl och en molekyl? Modellen har vi byggt, kanske av pinnar och kulor, av plast eller papper. Den är helst stor så att vi kan se den, den har har färg. En molekylen kan vi inte se. Den finns tillsammans med triljoner andra molekyler i varenda droppe av de ämnen som vi tittar på. Den är inte byggd av några plastpinnar, den är för liten för att ha någon färg. Man kan inte se den ens med mikroskop.
På bilden ser vi färgerna svart och vitt, så egentligen det är en modell av en molekyl, men det är enklare att säga att bilden föreställer en molekyl. Det viktiga är bara att minnas att färgerna är påhittade, för att vi ska kunna hålla reda på alla kulorna.
Ser alltid en molekyl ut så här? Vad kan vara annorlunda? Hur många atomer finns det i den? Det finns 11 atomer i molekylen på bilden. I andra molekyler kan det vara något annat antal. Minst två. Ibland tusentals. Det finns egentligen ingen gräns. Riktigt stora molekyler kallas makromolekyler. De kan till och med bli så stora att man kan se dem i vissa slags mikroskop. Det är stora molekyler som får livet att fungera. Virus består av några få stora molekyler, våra kroppar av många triljoner stora molekyler.
Hur många sorters atomer finns det i molekylen på bilden? Här ser man hur bra det är att ha en modell med färger. De svarta föreställer kolatomer. De vita föreställer väteatomer. De färgerna måste man komma ihåg. Det finns två sorters atomer i molekylen på bilden.
Hur många väteatomer finns det i molekylen? Åtta väteatomer.
Hur många kolatomer finns det? Tre kolatomer. Det kommer ni att bli mycket intresserade av, hur många kolatomer det finns i varje molekyl, för när man vet det, då har man kommit en god bit på väg att veta namnet, att känna igen molekylen och kunna säga: "Detta är en propanmolekyl". För alla molekyler med tre kolatomer har namn som börjar på "prop-". Den här molekylen är en propan-molekyl. Ett ämne som består av propanmolekyler kallas propan. Eftersom det är en gas kallas den propangas.
Om man tar bort en väteatom - är det då fortfarande en molekyl? Nej. Det är varken en propanmolekyl eller någon annan slags molekyl. Det är ingen molekyl alls. Det finns inget sådant ämne. Ser man i modellen antingen något hål som är öppet eller någon bindningspinne som sticker ut, då vet man att det inte finns ett sådant ämne. Ingenstans, inte på någon hylla i någon kemisal, kan man någonsin hitta någon flaska, där det bara skulle finnas sådana "ofullständiga molekyler". Så det gäller att hålla reda på bindningarna.
Hur många bindningar finns det i propanmolekylen? Tio. Hur många av väteatomerna är bundna till en kolatom? Svar: Alla
Hur många kolatomer är bundna till tre väteatomer? Svar: Två av dem. Hur många väteatomer är bundna till en annan väteatom? Ingen av dem.
Så här ritar/skriver man molekyler. Strukturformel kallas det. Det är en annan slags modell. Där har man inte färger utan olika bokstäver för olika atomslag. Det går snabbare att byta färgpenna hela tiden. Det man måste hålla reda på är: Väte - vit - H - ett hål. Kol - svart - C - fyra hål. Bindningarna ritar man med streck. Regeln är: Från varje H ska det gå ett streck, från varje C ska det gå fyra streck.
Vi börjar med att studera kolvätemolekyler - alltså molekyler som bara innehåller kol- och väteatomer. De är de enklaste organiska ämnena.
Kunskapsinhämtning: Kolväten - bygg, läs, lägg på minnet
Bygg några molekylmodeller som består av bara kol- och väteatomer. De kallas kolvätemolekyler. Kom ihåg: inga öppna hål, inga spretande bindningspinnar. Rita strukturformel för var och en av dem. Skriv upp fakta om dem: Hur många atomer är det av varje slag? Finns det några dubbelbindningar eller enkelbindningar i molekylen? Enkelbindning betyder att det i strukturformeln bara finns ett streck mellan två kolatomer. Du har bara använt en pinne för att binda ihop två svarta kulor. En dubbelbindningen har två streck mellan ett par kolatomer, en trippelbindning har tre streck mellan dem.
Först ska nu lära dig att avgöra vad molekylerna heter. Om det enbart finns enkelbindningar i en molekyl, då slutar namnet på "-an". Sen får man räkna kolatomerna. Metan heter ämnet som har en kolatom, etan har två kolatomer, propan har tre kolatomer, butan har fyra kolatomer, pentan har fem kolatomer. Lär dig de fem namnen. Alla sådana ämnen kallas alkaner.
Finns det en dubbelbindning förutom enkelbindningarna, då slutar namnet på "-en". Eten har två kolatomer, propen har tre kolatomer, buten har fyra kolatomer, penten har fem kolatomer. Alla sådana ämnen kallas alkener.
Finns det en trippelbindning förutom enkelbindningarna, då slutar namnet på "-yn". Etyn har två kolatomer, propyn har tre kolatomer, butyn har fyra kolatomer, pentyn har fem kolatomer. Alla sådana ämnen kallas alkyner.
Läs om kolväten, alkaner, alkener och alkyner på Wikipedia.
Klassen kolväten delas in i de tre klasserna alkaner, alkener och alkyner.
Ämnen med en kolatom har namn som börjar på met-. (Det finns bara ett sådant ämne, metan.)
Ämnen med två kolatomer har namn som börjar på et-. (Det finns tre sådana ämnen: etan, eten och etyn)
Ämnen med tre kolatomer har namn som börjar på prop-. (Det finns tre sådana ämnen:propan, propen och propyn)
Ämnen med fyra kolatomer har namn som börjar på but-. (Det finns två olika slags butan. En med ogrenad kolkedja och en med grenad kolkedja. Också av buten och butyn finns det flera varianter.)
Ämnen med fem kolatomer har namn som börjar på pent-.
Ordet "penta" är grekiska och betyder fem. För att ge namn åt större molekyler använder man det grekiska räkneordet för antalet kolatomer och sätter till -an, -en eller -yn.
Ämnen med sex kolatomer har namn som börjar på hex-. Ämnen med sju kolatomer har namn som börjar på hept-. Ämnen med åtta kolatomer har namn som börjar på okt-. Fortsättning på serien hittar du på Wikipedia. Där kan du också läsa om isomeri.
Läs på Wikipedia. Sök dels på olika kolväten, dels på ord som "gasol, gasspis, bensin, fotogen, diesel, symaskinsolja, smörjolja, vaselin,
paraffin". Skriv ner fakta du har hittat. Om det är svårt att hitta bra uppgifter kan du försöka med norska Wikipedia eller någon annan språkversion. Den engelska har ibland så mycket information att det kan bli förvirrande.
Djupt nere i jorden finns det kolväten (bergolja och naturgas). Inte överallt, men till exempel i Irak, Iran, Arabien, Ryssland. Hur har den hamnat där? Tänk på en skog för 50 miljoner år sen, med växter och djur. De är alla döda nu. Normalt vad som händer med växter och djur när de dör är att de förmultnar. De förvandlas till koldioxid och vatten. Men ibland hamnar någonting, kanske en trädgren, så djupt ner i marken eller kanske under vatten, så att det inte kommer till någon luft. Då multnar de inte. Hamnar de riktigt djupt, där trycket är stort, förvandlas de till kolväten. Det kan också bildas något som kallas stenkol eller "kol" och som till 90 procent består av kolatomer.
Till platser där gasen och oljan fortfarande finns kvar efter så lång tid och inte har pyst ut kommer det energibolag. De borrar hål i marken, pumpar upp och leder gasen i rörledningar till dem som ska använda den. Det kan vara i gasspisar, för att värma upp bostäder eller som råvara i fabriker. Oljan brukar fraktas i tankfartyg till ett raffinaderi. Den brukar vara en svart och tjock smet. Ibland kommer den ut från fartygen och flyter omkring. Fåglar som får den på sina fjädrar får svårt att simma och att skydda sig mot kyla. När man rengör, sanerar, stränderna använder man ofta grep för att ösa upp oljeklumparna. Så tjockflytande är den. Den innehåller en blandning av alla möjliga alkaner och en del andra kolväten och andra ämnen. Raffinaderiet är en fabrik som destillerar denna smörja, så att man separerar olika ämnen från varandra. Fraktionerad destillation betyder att man samtidigt kan skilja ut många olika
ämnen. Precis som vid vanlig destillation eldar man i bottnen av en kolonn, ett högt rör. Kolonnen är av plåt och många meter hög, och det kan rinna ut olika vätskor ur olika rör längs hela kolonnens längd. De översta rören ger bensin, nedanför dem kommer det dieselbränsle, flygbensin, fotogen, brännolja, sen tjockare och tjockare smörjoljor och till slut nere där det är hetast kommer det paraffin. Ämnena sorteras alltså upp efter hur hög kokpunkt de har. Det som blir kvar och inte avdunstar är asfalt, som används som beläggning på vägar.
En mycket stor del av det som tillverkas i ett raffinaderi är alltså bränslen. Man skaffar dem för att bränna upp dem. Fotogen bränner man i fotogenlampor för att få ljus. Brännolja bränner man för att få värme i bostäder. Bensin brinner i bilmotorer för att driva motorn och få bilarna att gå.
För att det ska börja brinna måste det vara hett. När det väl har kommit igång bildas det mer och mer värme efter hand som reaktionen sker, så att elden sprider sig så länge det finns bränsle och syre.
Brinna betyder att förena sig med syre. I luften finns det syre. Vissa syreatomer slår sig ihop med kolatomerna, vissa med väteatomerna.
När kolatomer förenar sig med syreatomer bildas det koldioxidmolekyler. När väteatomerna förenar sig med syreatomer bildas det vatten.
Reaktionslikheter.
I ord kan man skriva så här:
metan + syre → koldioxid + vatten
etan + syre → koldioxid + vatten
propan + syre → koldioxid + vatten
Detta är inte så svårt. Det man har från början skrivs till vänster, det som bildas till höger. Nu ska vi skriva samma sak med kemiska beteckningar för de molekyler som reagerar. Då är det överenskommet så att vi samtidigt måste skriva in precis hur många av varje molekyl det är. Det kallas att balansera formeln, och det får man öva sig på ganska mycket.
Vi tittar först på den första formeln. Att skriva den så här vore inte vara rätt, för det skulle betyda att det skulle räcka med en syremolekyl för att göra koldioxid och vatten: CH4 + O2 → CO2 + H2O. Det gör det inte. Vi måste också kontrollera de andra atomerna, att det står lika många på båda sidor av pilen, för det är ju samma atomer i början och i slutet..
Vi börjar med att räkna ihop kolatomerna. Vi ser att det är en kolatom i metanmolekylen och på andra sidan är det en kolatom i koldioxidmolekylen, så allt är bra så långt. Kolatomerna stämmer.
Sen får vi titta på syreatomen, och där stämmer det inte alls. Till vänster är det en syremolekyl, som innehåller två syreatomer. Till höger är det dels två syreatomer i koldioxidmolekylen och dels en syreatom i vattenmolekylen, vilket tillsammans blir tre. Inte heller väteatomerna stämmer.
Vi ska hjälpa dig lite på traven genom att säga att man måste ta en metanmolekyler och två syremolekyler. Nu ska du fundera på hur många molekyler det blir på högra sidan. Vi skriver först in talet 2 (talet 1 brukar man inte skriva ut), och vi sätter punktade linjer där det ska fyllas i antal.
CH4 + 2 O2 → .... CO2 + .... H2O Formeln är fortfarande inte balanserad!
Nu kan du ta molekylmodeller till hjälp. Bygg en metanmolekyl. Bygg sen tre syremolekyler. Lägg undan allt övrigt byggmaterial och koncentrera dig på de fyra molekyler du byggt. Bygg om dem till koldioxid och vatten. Hur många koldioxidmolekyler blev det? Fyll i det på prickade linjen. Hur många vattenmolekyler blev det?
Här är rätt svar:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O Formeln är nu balanserad!
Vi kan kontrollera att den är balanserad:
På vänster sida (alltså från början) är det 1 kolatom, 4 väteatomer, 4 syreatomer.
På höger sida (alltså på slutet) är det 1 kolatom, 4 väteatomer, 4 syreatomer. Alltså samma antal av alla. Alltså har vi hittat rätt tal.
Nästa exempel:
C3H8 + 5 O2 → .... CO2 + .... H2O Formeln är inte balanserad!
Vi har skrivit ut talen på vänster sida. Det står att en propanmolekyl reagerar med 5 syremolekyler. Din uppgift är att skriva ut höger sidans tal.
Som hjälp använder du molekylmodeller. Bygg en propanmolekyl och fem syremolekyler. Lägg undan alla kulor och pinnar utom dem, och se hur många det blir när ni bygger om dem till koldioxidmolekyler och vattenmolekyler. Då kan du fylla i höger sida.
Kan du på egen hand lista ut hur man ska balansera formeln för etans förbränning?
Till vänster skriver man upp alla molekylerna som finns från början, sen en pil, och efter pilen de molekyler som bildas.
Först kan man skriva ut molekylernas namn. Då behöver man inte bekymra sig om att formeln är balanserad. Sen skriver man formler för molekylerna i stället för namnen. Då lämnar man utrymme före varje molekyls formel för det tal som man ska räkna ut, som anger hur många av det molekylslaget som det var eller blir.
Man måste räkna efter så att det finns lika många atomer av varje slag i slutet som i början. Man kan använda molekylmodeller som hjälp och först bygga ursprungsmolekylerna och sen bygga om dem till de molekyler som det bildas. Man kan också skriva listor över varje atomslag.
När man vet hur många det måste bli av varje atomslag, skriver man in det talet. Då är formeln balanserad. Blir antalet ett skriver man inte någon siffra.
Studieuppgift: Sök fakta om alkaner, alkener, polymerisation, polyeten, polypropen, svetsgasen "acetylen". Det finns inget ämne som består av förstavelsen met- och ändelsen -en. Varför är det så?
Molekylmodell
Strukturformel
Bruttoformel
Namn
Användning
Förekomst
C2H4
Eten
För tillverkning av plast
Bildas i mognande frukt, tillverkas av råolja
C4H8
Buten
För tillverknig av plast, konstgummi
I råolja
C2H2
Etyn (acetylen)
Svetsgas
Tillverkas av kol och väte. Förekommer inte naturligt på jorden. (Finns på Jupiter.)
Vi är nu klara med de ämnen som bara består av kol och väte. Nu börjar vi med sådana som också innehåller syreatomer. Syreatomen (bokstaven O - röd kula) har två bindningshål. Om en syreatom sitter i en molekyl så att den ena bindningen går till en kolatom och den andra till en väteatom, då kallas ämnet alkohol. Det är lätt att bygga om en kolvätemodell till en alkoholmodell. Man tar lös en väteatom och sätter in en syreatom emellan innan man sätter tillbaka väteatomen. Det är lika lätt att ge namn åt en sådan alkoholmolekyl: Man tar namnet på kolvätet och sätter ändelsen "-ol" på slutet.
Det är lätt att se på en modell att den föreställer en alkoholmolekyl. Man ser genast en röd och en vit kula som är bundna till varandra. En sådan grupp av två atomer, en syreatom och en väteatom, kallas en "OH-grupp". Alkoholer har alltså en eller flera OH-grupper i sina molekyler.
Metanol kallas också träsprit. Den är en vattenklar, luktande vätska som kan brinna med osynlig låga. Den är mycket giftig. Det händer att personer som köper sprit från langare får träsprit i stället för den sprit de hade tänkt sig. Det händer ibland att det leder till blindhet eller död.
Etanol kallas sprit om den är utblandad med vatten. Det är den som finns i öl, vin och andra spritdrycker. Den är ganska lik träsprit men mindre giftig. Ordet "organisk" har samband med "organism". Organiska ämnen bildas i växter, djur och andra organismer. Etanol bildas av en mikroorganism, en mikroskopiskt liten svamp som kallas jästsvamp. Om man sätter jäst till en lösning som innehåller socker, till exempel fruktsaft, då förvandlar jästsvamparna sockret till etanol. Det är så som öl och vin tillverkas. En del andra spritdrycker är destillerade så att de har högre alkoholhalt.
Propanol användas i handtvättmedel och andra bakteriedödande lösningar.
De här tre alkoholerna har namn som är lätta att förstå. De kallas systematiska namn. I "prop-an-ol" säger: prop- att det finns "tre kolatomer", "-an-" säger "ingen dubbelbindning mellan kolatomer", "-ol" säger att det finns någon "OH-grupp". Vissa andra alkoholer har namn som inte är lika systematiska. Man måste bara lära sig namnen och formlerna utantill.
Glycerol är en trevärd alkohol. Det betyder att det i varje molekyl finns tre syreatomer. De är allihop bundna vid var sin av de tre kolatomerna. Glycerol är en tjockflytande, färglös, ogiftig, vätska som smakar sött och som inte brinner. Den används i hudkrämer och bakelser.
Glykol är en tvåvärd alkohol. Vintertid använder man glykol som tillsats i kylarvätskan i bilar för att den inte ska frysa. Xylitol och Sorbitol kan du läsa om på Wikipedia.
När ett brott har begåtts undersöker polisen brottsplatsen för att hitta spår som kan binda en person till brottet. Man säkrar fingeravtryck och spår från skor och bilhjul. Man samlar in jord, avfall och allt möjligt slags material, som skickas till laboratorium för närmare analys. Mycket av arbetet på laboratoriet handlar sedan om att ta reda på vad det är för ämne som man har hittat. I många fall har man ytterst små mängder av material. Tidigare har vi visat hur man med kromatografi kan undersöka de små mängder av ett ämne som finns i en prick ritad med en penna. Det var ett exempel på kemiska analys. Nu ska ni lära er hur man med kemisk analys kan göra en grov åtskillnad av olika slags ämnen. Först vill vi veta om det är ett organiskt ämne eller ett oorganiskt ämne. Om det är ett organiskt ämne kan vi ofta ganska lätt ta reda på om det är ett kolväte, en alkohol eller hör till någon av de tre viktigaste ämnesklasserna som finns i växter och djur.
Man hettar upp ämnet. Om det är ett organiskt ämne brukar det bli svart och ge ifrån sig gaser. Det känner man igen dem på. Den (kol)svarta färgen beror på att det bildas grundämnet kol. Alla organiska ämnen innehåller ju kolatomer bundna till andra atomer, och hettan får molekylerna att röra sig så häftigt att de skakar sönder, så att kolatomerna kvar, mer eller mindre ensamma. Om man till exempel värmer trä över en låga eller i en het ugn eller med ett strykjärn eller i en kolmila, då kallas den svarta resten, som alltså består mest av kolatomer, för träkol, eller ibland grillkol. De andra atomerna, de som har lossnat från kolatomerna brukar bli till små molekyler. Små molekyler brukar vara gaser, så man får göra försöket i dragskåp, så att man inte får ut skadliga gaser i rummet.
Det är ett mycket säkert test på att man har ett organiskt ämne – det blir svart. Ibland får man vara noggrann att det inte kommer till syrgas, för då kan det bli så att ämnet brinner upp utan att man hinner se kolet. När ämnet brinner slår kolatomerna ihop sig med syreatomer från luften så att de blir till gasen koldioxid, som är alldeles osynlig. Så är det med alkoholer. De brinner med nästan osynlig låga. Men med andra organiska ämnen är det inte så kinkigt att hålla syre borta. Bensin till exempel blir det mycket sot och svart rök av när den brinner, alltså fina partiklar av kol. Vill man vara riktigt säker på att det svarta verkligen är kol, då kan man fortsätta att värma på det och nu blåsa luft på det. Om det är kol då brinner det upp och det svarta försvinner.
Om det däremot är ett oorganiskt ämne som man hettar upp, då blir det inte svart och sotigt. Vanligt salt händer ingenting med även om man hettar upp det starkt. Jod sublimerar, svavel smälter eller brinner utan att bli kolsvart. Det finns alltså många olika möjligheter, och av dem kan man dra slutsatser om vilket oorganiskt ämne det är frågan om.
Ofta är det prov man undersöker en blandning av organiska och oorganiska ämnen. Det kan man ibland märka på det att det blir både kol (svart vid upphettning, och att det svarta försvinner när det kommer till syre) och något ämne som inte försvinner som gas. Det är vad som händer när ved brinner i spisen. Först försvinner små molekyler ut med röken, man ser kolet, sen oxideras kolet till koldioxid, men kvar är fortfarande de oorganiska ämnena i veden, dem som vi kallar aska.
Låt oss nu säga att man har fått reda på att det är ett organiskt ämne, då vill man gå vidare och ta reda på vad det är för slags ämne.
Vi har redan nämnt att man kan avgöra om en vätska är ett kolväte eller en alkohol på hur den brinner – sotande gul låga visar kolväte, färglös låga utan sot visar alkohol. Övriga ämnen från växtriket och djurriket är ofta antingen fetter, kolhydrater eller proteiner.
Fetter känner man igen på att de löser sig bra i opolära lösningsmedel men inte i vatten. Man kan också ta lite av ämnet och gnugga det mot ett papper eller droppa det på ett papper. Om ämnet hör till fetternas klass, då blir det en fläck som inte försvinner om en stund, så som en vattenfläck gör när vattnet avdunstar. Fettmolekylerna är så stora så att de inte lätt kan övergå i gasform. Ett problem är att en del kolväten har samma egenskaper som fetter. Kolvätena brukar sota mer när de brinner, det är nästan enda skillnaden.
Proteiner ger ifrån sig en frän lukt när man hettar upp dem, för deras molekyler innehåller kväveatomer, som bildar små molekyler med speciell lukt. För att lära dig att känna igen denna lukt kan du prova att hetta upp ull, hår, fågeldun, torr fisk eller torkad äggvita. De består alla mest av protein.
Kolhydrater finns det av olika slag. Enkla sockerarter löser sig i vatten. (De har också söt smak, men det kan man ju inte testa när man undersöker ett okänt prov.) Stärkelse, till exempel potatismjöl, löser sig i hett vatten, men lösningen stelnar till ett klister eller gel när den svalnar. (Det är så som man kokar kräm.) Cellulosa bildar fibrer, som man kan se under mikroskop. Bomull är nästan ren cellulosa. Också trä och papper innehåller mycket cellulosa, men som nämnts ovan finns det också oorganiska ämnen i dem.
Lab: Undersökning av ett okänt prov. Du får ett okänt ämne eller en blandning av flera ämnen. Det kan till exempel vara modellera, havregryn, vaselin, ylle, plast, sågspån, lera, sand, smör, socker, metanol, gräs, potatis, damm, mull. Använd den kunskap du har och den utrustning som finns i laboratoriet för att ta reda på vad det prov du har fått består av.
Test på proteiner: Kopparsulfatlösning och natriumhydroxidlösning ger violett färg om det finns protein i provet.
En proteinmolekyl består av tusentals aminosyramolekyler hopbundna till långa kedjor.
Det finns ca 20 olika aminosyremolekyler. De måste komma i precis rätt ordning för att proteinet ska fungera rätt.
Proteiner bygger upp kroppen. Muskler, blod, hår, naglar består av proteiner. Även växtceller innehåller proteiner.
Mat som innehåller mycket proteiner: kött, ägg, mjölk, ärter, bönor.
Matens proteiner blandas med enzymer i magen. Enzymerna är katalysatorer som spjälker upp de jättelika proteinmolekylerna i aminosyramolekyler. Aminosyramolekylerna går genom tarmväggen ut i blodet. Blodet transporterar dem till alla celler i kroppen, där de används till att bygga nya celler. (Om kroppen får för lite stärkelse eller fett kan den använda protein som bränsle.)
Fetter
Fetter bildar fettfläckar på papper (nästan genomskinliga fläckar som inte avdunstar så lätt). (Också alkaner, till exempel smörjolja) ger sådana fläckar.)
Fetternamolekyler är ganska stora. Det kan bildas en fettmolekyl om en glycerolmolekyl reagerar med tre karboxylsyramolekyler. Glycerol har tre OH-grupper. Var och en av dem ger ifrån sig en väteatom och de tre öppna bindningarna binds till tre karboxylsyramolekyler. Väteatomerna slår sig ihop med några atomer som karboxylsyran har gett bort, så att det blir vatten. Reaktionslikheten blir glycerol + karboxylsyra → ester + vatten. Karboxylsyran brukar ha lång rak kolkedja (ca 16-20 kolatomer). De kallas fettsyror. Du kommer att lära dig mer om dem i avsnittet om syror och baser.
Vissa fettsyror behöver kroppen för att fungera. Andra fettsyror kan användas som bränsle i stället för kolhydrater eller proteiner. Ett gram fett ger ungefär dubbelt så mycket energi som ett gram kolhydrat eller ett gram protein.
Matolja är 100 % fett. Smör, margarin och choklad innehåller mycket fett. Ordet "olja" kan antingen mena ett flytande fett eller ett tjockflytande kolväte. De är helt olika slags ämnen, men de har lite liknande egenskaper (ger fettfläckar, brinner med sotande låga).
Både växter och djur tillverkar fetter. Växtfetter är ofta flytande, djurfetter ofta fasta.
Vi ska nu lämna organiska kemin. Ni har lärt er hur viktigt det är att vara systematisk. Att hålla ordning, klassificera och hålla reda på namn. Nu ska vi börja systematisera grundämnena. Det var det som Mendelejev gjorde på 1800-talet. Han kände grundämnena mycket bra. Det är så man måste börja. Repetera därför följande övning, som du antagligen har gjort tidigare, för att friska upp minnet om de cirka hundra olika grundämnena. Kol, väte och syre som du har byggt med, och magnesium, svavel och järn som du har oxiderat känner du till ganska bra vid det här laget.
Ungefär så här tror man att Mendelejev gjorde när han systematiserade grundämnena: Han skrev upp alla alla de atomslagen, på kort. Det blev inte 100 kort, för det här var på 1800-talet och alla var inte upptäckta då, men kanske hälften. (Om ni vill göra det räcker det med att ni tar de 20 första grundämnena, för att ni ska upptäcka det som Mendelejev upptäckte.) Han la han ut korten i ordning efter atomstorlek. Minsta atomen först - det är väte. Sen näst minsta, helium, och så vidare. Om man gör så och sen skriver på korten vad ämnena har för egenskaper, då ser man att nummer 2, som är helium och nummer 10 som är neon och nummer 18 som är argon alla är mycket lika. De är alla gaser. De brinner inte. De förenar sig inte med några andra ämnen. De kallas ädelgaser.
1H
2He
3Li
4Be
5B
6C
7N
8O
9F
10Ne
11Na
12Mg
13Al
14Si
15P
16S
17Cl
18Ar
19K
20Ca
Mendelejev märkte också att nummer 3, nummer 11 och nummer 19 är mycket lika. De är alla metaller, de är grå och blänkande, de är mycket mjuka. De tål inte luft utan börjar brinna fast man inte hettar upp dem. De tål inte vatten utan det exploderar när de hamnar i vatten. De är liksom släktingar. De kallas alkalimetaller.
En annan grupp av besläktade grundämnen är nummer 4, 12 och 20. De finns i jorden, de är metaller och de tål vatten. De kallas jordalkalimetaller eller alkaliska jordartsmetaller.
När man nu tittar på raden av kort, ser man att de alltid följs åt: först en ädelgas, genast efter alkalimetall och sen efter den en alkalisk jordartsmetall.
Nummer 2, 3, 4, det är He, Li, Be. (Alltså ädelgas - alkalimetall - alkalisk jordartsmetall)
Nummer 10, 11, 12, det är Ne, Na, Mg. (Alltså ädelgas - alkalimetall -alkalisk jordartsmetall)
Nummer 18, 19, 20, det är Ar, K, Ca. (Alltså ädelgas - alkalimetall - alkalisk jordartsmetall)
När man har kommit på det då ligger det nära till hands att flytta korten, så att de som är lika hamnar under varandra. Man samlar alla ädelgaser längst till höger, så efter Ne börjar man ny rad med Na, Mg och sen hela raden tills Ar hamnar under Ne.
Sen kan man sätta He ovanför Ne. Då är bara H kvar, minstingen. Den är svår att veta var den passar in. Den är inte metall liksom Na och K, men den är inte lik nummer 9 och 19 heller. Till slut bestämde man sig för att sätta den ovanför alkalimetallerna.
Nu ligger korten fortfarande i nummerordning, men så att de ligger under varandra, de som är lika. Det visar sig att även andra som ligger i samma spalt är ganska lika: F och Cl är till exempel båda giftiga gaser som kallas halogener.
Början av grundämnenas periodiska system..
1H
2He
3Li
4Be
5B
6C
7N
8O
9F
10Ne
11Na
12Mg
13Al
14Si
15P
16S
17Cl
18Ar
19K
20Ca
Lägg märke till att vi har lämnat en springa efter nummer 20. Man får flytta korten igen så att springan blir så vid att nummer 21 och några till ryms in där, innan man fortsätter och lägger ett kort under nummer 13, Al.
Ungefär så gjorde Mendelejev. Och han fortsatte med resten av grundämnena och la ut dem i nummerordning i rad efter rad, och märkte att liknande ämnen fortsatte att komma under varandra. Han märkte också att det ibland blev tomma platser i systemet om man la likadana ämnen under varandra och anade att där skulle passa något grundämne som ingen ännu hade upptäckt. Så då blev det lättare att leta efter nya grundämnen, när man hade klart för sig vad för slags ämne man skulle leta efter. Numera har man hittat alla grundämnena. Det finns det inga luckor, annat än att det är obestämt hur många man ska ta med på slutet. När det gäller dem som ligger över nummer 100 ungefär, är det svårt att veta om de finns eller inte. Man har bara hittat några enstaka atomer, och de atomerna har bara existerat under ett kort ögonblick.
Det här fick Mendelejev nobelpris för. Han hade ställt upp grundämnenas periodiska system. Efteråt har man ändrat lite på det; man har flyttat isär raderna så att det blir en springa efter andra spalten, den med Be och Mg. Den behövs när man sätter in de följande grundämnena, för en del av dem behöver plats där. Man har också numrerat spalterna så att alkalimetallerna kallas grupp 1, alkaliska jordartsmetallerna grupp 2 och så vidare ända till ädelgaserna grupp 18. Man har numrerat raderna, som man kallar period 1, period 2 och så vidare.
Man vet också bättre än Mendelejev hur man ska avgöra i vilken ordning man ska numrera atomerna. Mendelejev ordnade dem efter hur mycket de vägde. Numera ordnar vi dem efter hur många protoner de har i kärnan. Väte med atomnummer 1 har en proton, helium med nummer 2 har två protoner och så vidare.
Mendelejev försökte ordna grundämnena i storleksordning. Väteatomen är minst, det är helt klart.(Det är därför som atommodellerna brukar vara gjorda så att de vita kulorna är lite mindre än de svarta och röda.) På Mendelejevs tid visste man inte så mycket om atomernas storlek; man kan bedöma den på olika sätt. Diametern är svår att få reda på, hur tunga de är stämmer inte heller riktigt. Det avgörande är hur många protoner det finns inne i atomen.
När man fick reda på att det finns smådelar inne i atomen blev det lättare att förstå varför det är en så fin ordning på de olika atomslagen. Alla atomer har en kärna. I den finns det en eller flera protoner och oftast ungefär lika många neutroner. Runt kärnan finns det liksom skal som elektroner håller till i. När man ordnar atomerna i ett periodiskt system går man efter hur många protoner de har. Först satte vi väteatomen, för den har bara en proton. Vi säger att den har atomnummer ett. Atomnummer två har heliumatomen, så den satte vi som nummer två, sen hamnade nummer tre, som har tre protoner i nästa rad, och där hamnar också nummer fyra och så vidare.
Att en atom finns i andra perioden betyder att den har två skal av elektroner. Periodnumret anger alltid antalet elektronskal. I en normal atom är antalet elektroner precis lika stort som antalet protoner. Så om man vet att atomnumret är fyra, då vet man att atomen har fyra protoner och fyra elektroner. När man sen tittar på periodiska systemet ser man att nummer fyra är i andra perioden, så då förstår man att den atomen har två elektronskal. Man ser också att den har symbolen Be. Atomen och grundämnet heter beryllium.
Kolumnerna i periodiska systemet kallas grupper. Man numrerar dem från vänster: Nummer 1 är alkalimetallerna, grupp 2 är alkaliska jordartsmetallerna, nummer 17 kallas halogener, nummer 18, längst till höger, är ädelgaserna.
Här är ett sätt att visa alla kända grundämnena i ett periodiskt system, ja i själva verket har man tagit med en del som ännu inte har blivit upptäckta, men som redan har fått namn, för den händelse att de skulle bli upptäckta. De som har samma färg är sådana som har liknande egenskaper.
Ett grundämne har bara ett slags atomer. I en förening finns det flera slags atomer.
Det finns drygt hundra slags atomer. Därför finns det drygt hundra grundämnen.
Alla atomer har en kärna i mitten och elektronskal runtomkring. Kärnan innehåller protoner och neutroner.
Varje proton har en plusladdning. Neutronerna är neutrala, det vill säga de har laddningen noll.
Atomnumret anger hur många protoner atomslaget har. Väteatomen har atomnumret 1 och det högsta atomnumret är lite mer än hundra.
Elektronskalen innehåller elektroner. En elektron har en minusladdning. En vanlig atom har lika många elektroner som protoner. Då blir atomens totala laddning noll. Man säger att atomen är neutral.
När man ska avgöra hur många elektroner det finns i varje skal kan man tänka på att elektronerna ”vill” vara nära kärnan, så i första hand får man fylla det innersta och först när det är fullt börjar man sätta in elektroner i nästa skal osv. Det innersta skalet rymmer två elektroner, nästa rymmer åtta elektroner.
I kemin är det särskilt viktigt hur många elektroner det finns i det yttersta skalet (valenselektronskalet). Det bestämmer grundämnets egenskaper.
I periodiska systemet kan man söka upp ett grundämne. Man kan se vilket atomnummer grundämnet har. Det anger antalet protoner, och också antalet elektroner i varje atom. Man kan också se vilken period grundämnet ligger i. Första perioden är den översta raden. Atomerna där har bara ett skal med elektroner. Andra perioden har två elektronskal och så vidare.
Atomerna längst till höger kallas ädelgaser. De hör till grupp nummer 18. Grupp nummer 17 kallas halogener. De är frätande ämnen. I grupp nummer ett finns alkalimetaller och väte. Alkalimetaller reagerar våldsamt med vatten. Grupp 2 kallas alkaliska jordartsmetaller.
Två grundämnen är vätskor vid vanlig temperatur, några är gaser och de flesta är fasta ämnen.
Utförande och iakttagelser: Vi tappar vatten i en petriskål med vatten. En bit natrium tas upp ur oljan där den förvaras för att inte reagera med luftens syre eller med vattenånga som alltid finns i luften. En liten bit skärs lös med kniv och läggs i vattnet. Den far omkring med ett fräsande och syns sen inte till.
Undersökningar:En fråga som man ställer sig är: Var finns natriumatomerna nu? Ett möjligt svar skulle kunna vara att de nu finns i luften. Vi hörde att det fräste och såg små bubblor, så det skulle kanske ha kunnat bildas någon gas, som har natriumatomer i sig. Men det kan också hända att bubblorna bestod av någon gas som har bildats av vattenmolekylerna. Vattenmolekyler innehåller ju både väteatomer och syreatomer, och två väteatomer kan ju slå sig ihop till vätemolekyler, alltså vätgas; eller också skulle två syreatomer kunna slå ihop sig till syremolekyler, så att det bubblade syrgas. Det är svårt att avgöra utan att undersöka noggrannare. Men om natriumatomerna inte har gått upp i luften, var skulle de kunna vara då? Den andra möjligheten är att de är i vätskan, att den inte längre är rent vatten utan att där finns någonting från natrium.
Vi undersöker det med fenolftalein. Det är ett ämne som visar om det finns en viss sorts joner i en vätska. Det blir rött om det finns sådana joner.
Resultat: När vi sätter till fenolftalein i den skål där det varit natrium färgas lösningen röd. I en skål med rent vatten blir det ingen färg, men om vi efteråt sätter till en bit natrium blir det ett rött spår efter natriumbiten när den försvinner. Vi har alltså visat att det bildas joner i vattnet.
Undersökning av bubblorna: För att undersöka gasbubblorna gör vi om försöket i en petriskål med vatten som vi satt till diskmedel till. Diskmedlet gör så att bubblorna inte spricker så lätt, utan hinner fyllas med mycket gas och bli så stora så att vi kan sätta till en tändsticka.
Resultat: Hettan från en tändsticka får gasen i bubblorna att reagera med ett puffande ljud. Det är typiskt för vätgas. Det var alltså vätgas som reagerade med luftens syre. Då har vi rett ut att när natrium reagerar med vatten då splittras vattenmolekylerna upp så att vätgas bubblar bort. Kvar i lösningen bör det bli någonting annat från vattenmolekylerna och från natriumatomerna.
Vattenlösningen skulle bli röd också med en kaliumbit eller en litiumbit. Alla alkalimetaller reagerar med vatten så att det blir vätgas, som stiger upp, och dessutom två slags joner som blir kvar i lösningen. En jon är inte en riktig atom. En jon är inte heller en riktig molekyl.
I en atom – och då menar vi en normal atom, en neutral atom – finns det precis lika många elektroner som protoner. Både protoner och elektroner är elektriskt laddade. Protoner har plusladdning och elektronerna har minusladdning. I en väteatom finns det en av vardera. Då blir den sammanlagda laddningen noll.
Heliumatomen har två protoner och två elektroner, + 2 och – 2 blir tillsammans 0, så den sammanlagda laddningen är noll. Så är det för alla grundämnena. Vi säger att atomerna är neutrala. Det betyder ”varken minus eller plus”. Vi har tidigare sagt att det också finns neutroner i atomernas kärna. Det hörs nästan av namnet att de är neutrala. De har alltså ingen laddning (laddningen noll). Man kan också säga att de är oladdade, så dem behöver man ofta inte bry sig så mycket om i kemin.
Vad som kan hända ibland är att en atom får en extra elektron. Då blir den sammanlagda laddningen inte noll utan minus ett. (Ibland skriver man – 1, liksom i matematiken, ibland skriver man i stället 1– , med minustecknet efteråt, och ibland skriver man bara ut minustecknet.)
Atomer med extra elektroner kallas negativa joner. När exempelvis en fluoratom får en extra elektron förvandlas den till en fluoridjon. Fluoridjonen betecknas med samma symbol F men med ett minustecken uppe till höger.
fluoratom + elektron → fluoridjon
F + elektron → F-
På samma sätt blir det när en kloratom får en extra elektron. Det bildas en kloridjon
Cl + elektron → Cl-
En syreatom brukar ofta ta emot två extra elektroner på en gång. Då bildas det en oxidjon
Om en natriumatom ger bort en elektron då blir det en positiv jon. Från början hade den 11 protoner och 11 elektroner: + 11 – 11 = 0. När den blivit av med en elektron blir det: + 11 – 10 = + 1. Denna positiva jon heter natriumjon. Den betecknas med samma symbol som natriumatomen, men med ett plustecken uppe till höger.
När vi skriver en reaktionslikhet för det som skett visar vi att atomen har delat upp sig i en positiv jon och en elektron.
natriumatom → natriumjon + elektron
Na → Na+ + elektroner
Kalciumatomer brukar ge ifrån sig två elektronerna. Det bildas en kalciumjon.
Ca → Ca2+ + 2 elektroner
Namnet på positiva joner får man om man sätter ändelsen ”-jon” efter namnet på atomen.
Säkerhet: Svavelsyra fräter på bland annat bomullstyg.
Uppgift: Vi ska ta bort elektroner från en del av kopparatomerna som finns i kopparplåten. Då är de inte riktiga atomer längre utan joner:
Reaktionslikhet:
Med ord: En kopparatom → en kopparjon + två elektroner
Med kemiska symboler: Cu → Cu2+ + 2 elektroner
Man kan använda ett vanligt 1,5-volts batteri för att ta lös elektronerna från kopparatomerna. Vi ska använda ett spänningsaggregat som ger högre spänning, för att reaktionen ska gå snabbare. Spänningen är inte så hög så att den är farlig, men man måste se till så att man inte låter ledningsändarna från plus- och minuspol komma i kontakt med varandra, för då kan spänningsaggregatets säkring gå sönder. Därför använder vi en plastbit som skydd. Kopparplattan ska kopplas till pluspolen, för vi ska suga bort elektroner från den. Minuspolen ska kopplas till samma lösning, till en stav på andra sidan plastbiten.
Utförande: Ställ med mittersta ratten på spänningsaggregatet in noll volt. Sätt kontakten i vägguttaget. Sätt på huvudströmbrytaren och kontrollera att kontrollampan lyser. Stäng av igen. Koppla två ledningar från plus- och minusuttagen under ratten till en kopparplatta respektive till en metallstav. Om det behövs tar man en krokodilkontakt. Stick ned kopparplattan och metallstaven i en bägare halvfull med vatten. Sätt en plastbit mellan dem så att de inte kommer i kontakt med varandra. (Om man är säker på handen kan man klara sig utan plastbit, men då får man se till så att man aldrig låter metallerna nudda vid varandra.) Be läraren hälla i en skvätt svavelsyra. Sätt på spänningen och skruva upp spänningen så mycket det går. Nu bildas det joner!
Iakttagelser: Kan man se att någonting händer i lösningen? Kontrollera igen efter några minuter? Vad är det som kan ha bildats? Hur ser de ut?
En jon är som en atom men med för många elektroner eller för få elektroner. En riktig atom (en neutral atom) ska ha det antal som periodiska systemet visar.
Natriumbiten gav ifrån sig elektroner till vattenmolekyler. Natriumatomerna förvandlades till natriumjoner och av vattenmolekylerna blev det dels vätgas och dels ett slags fleratomiga joner, som kommer att behandlas senare i kursen.
Det är mycket typiskt att det samtidigt bildas positiva joner och negativa joner. Någonstans ska ju elektronerna ta vägen, och om totalen var noll från början måste den vara det på slutet också. Det andra som är typiskt är att båda jonslagen stannar kvar i samma lösning. Det kan aldrig finnas en lösning med bara negativa joner eller med bara positiva joner. Det skulle bli alltför starkt elektriskt. De skulle sprätta iväg åt alla håll.
Så är det alltid om man försökte samla bara ett slags joner i en burk. Det är först när det finns båda sorterna tillsammans som de håller ihop, för plus och minus dras till varandra. Detta är den allmänna principen i ellära: Lika laddningar stöts bort från varandra och olika laddningar dras till varandra.
Jonföreningar. En del ämnen består inte av molekyler utan av positiva och negativa joner som hålls ihop av den elektriska kraften. De kallas jonföreningar. Vanligt salt (koksalt) är ett sådant ämne. En saltkristall består av natriumjoner och kloridjoner, radade turvis i alldeles raka rader. Det är därför man ser att saltkristallen har så raka jämna ytor. När man löser upp saltkristallen i vatten då ”simmar” jonerna omkring en och en mellan vattenmolekylerna. Om man låter vattnet avdunsta från lösningen, så att bara jonerna blir kvar, då håller sig varje natriumjon så långt som möjligt från alla andra natriumjoner. Alla kloridjoner håller sig så långt bort från andra kloridjoner som möjligt. Lika laddningar stöts ifrån varandra. Däremot söker sig varje natriumjon och varje kloridjon till en jon av motsatt sort. Resultatet blir att de lägger sig turvis natrium - klorid - natrium - klorid -... rad efter rad så att varje natriumjon är omgiven av bara kloridjoner åt alla håll - framåt, bakåt, vänster, höger, upp och ned. Och varje kloridjon är omgiven av idel natriumjoner. Så är kristallerna uppbyggda, de som blir kvar när vattnet avdunstat.
Eftersom jonföreningar inte består av molekyler kan man inte skriva formlerna så som vi skrivit tidigare. Vi kan inte räkna upp alla atomerna, var och en med en siffra nere till höger, som anger antalet av den atomen. Det som sitter ihop i en koksaltkristall är ju triljonertals positiva och negativa joner. Det enda vi vet är att båda antalen är lika. Det vore dumt att försöka skriva Na+1000000000Cl-1000000000 eller något sådant, för det skulle behövas mycket fler nollor, och vi vet ju inte vilka tal vi ska använda, för olika kristaller är olika stora. Det enda vi vet är att båda talen ska vara lika stora. Så vi måste hitta på ett annat sätt.
Man skriver formeln för koksalt (natriumklorid) NaCl. Man bryr sig inte om att skriva ut plustecknet för natriumjonen och minustecknet för kloridjonen, för man räknar med att den som läser formeln ska förstå att totalladdningen ska bli noll, och att natriumjonen brukar ha laddningen +1 och kloridjonen –1.
Det finns många andra jonföreningar. Man kan kombinera vilka som helst positiva joner med negativa joner, bara totalladdningen blir noll. Om man byter ut den positiva jonen mot en annan alkalimetalljon får man till exempel kaliumklorid (KCl). Det ämnet ingår i en del matsaltblandningar som används vid dietkost. Byter man också ut den negativa jonen kan man få kaliumjodid (KI) och kaliumfluorid (KF), som båda brukar finnas som tillsats i det salt man köper för att förebygga jodbrist och karies. Alla de här ämnena kallas salter. De är alla jonföreningar. Jonföreningar brukar vara svårlösliga i bensin och andra opolära lösningsmedel. Många av dem (men inte alla) är lättlösliga i vatten.
Man säger att kalciumjonen (Ca2+) är tvåvärd eller tvåvärt positiv eftersom kalciumatomen har blivit av med två elektroner. Oxidjonen (O2-) är en tvåvärt negativ jon. Aluminium finns i grupp 13. För att få oktett måste den ge bort tre elektroner. Då bildas det trevärda aluminiumjonen (Al3+).
Sådana flervärda joner bildar salter på samma sätt som de envärda jonen. När man skriver formel för dem måste man tänka noga efter så att man anger jonantalet så att den totala laddningen verkligen blir noll. Till exempel kalciumklorid: Kalciumjonerna är tvåvärt positiva men kloridjonerna är envärt negativa. Man kan få det att bli noll, men bara om man tar dubbelt så många av kloridjonerna som av kalciumjonerna. Man skriver CaCl2. Den lilla tvåan anger att det behövs två kloridjoner samtidigt som man har en kalciumjon.
Jonerna Al3+ och O2- bildar föreningen Al2O3, aluminiumoxid. Två stycken trevärda balanserar precis tre stycken tvåvärda.
Om både den positiva och den negativa jonen är tvåvärda, då ska man inte skriva ut några siffror. Till exempel MgO anger att en magnesiumatom och en oxidjon balanserar varandra. + 2 - 2 = 0.
1) Använd en bit magnesiumband och tillverka ett ämne som består av magnesiumjoner och oxidjoner. Beskriv ämnet. (Ledning: Använd magnesiumet för att ge magnesiumjoner. Oxidjoner kan bildas ur syret i luften. För att få elektroner att hoppa över från magnesiumatomerna till syreatomerna kan man värma magnesiumet över en gaslåga och se till att det kommer till luft.)
2) Titta i periodiska systemet och räkna ut vilken formel ämnet har. (Ledning: Varje magnesiumjon har laddningen +2. Varje oxidjon har laddningen -2. För att sammanlagda laddningen ska vara 0 måste det finnas lika många av båda jonslagen.) Formeln är: ....................................
3) Skriv en reaktionslikhet för det som inträffat. ...........................................................................................
Natrium finns i grupp ett, så natriumatomen har en ytterelektron. Det är den som ges bort när det bildas en natriumjon. Så när vi satte ner natriumbiten i vatten då hade varje natriumatom en ytterelektron, men den rövades bort av vattenmolekyler så att det bildades natriumjoner, som blev kvar i vattnet. Om vi nu frågar oss hur många elektroner natriumjonen har i sitt yttersta elektronskal, då skulle vi kunna säga noll, men om det är noll elektroner så är det inget skal, så vi tittar i stället på det yttersta av dem som det finns elektroner i. Där är det 8 elektroner.
Om vi hade gjort samma experiment med kalium (K) i stället, så är också den i grupp ett och har en ytterelektron. När den bildar kaliumjon (K+), då har denna också 8 elektroner i sitt ytterskal.
Kalcium är i grupp två, som brukar ge bort två elektroner, så kalciumjonen får också 8 elektroner i sitt yttersta skal.
Klor brukar ta emot en elektron. Den hade sju elektroner, och får då åtta. Det är nästan alltid så. När atomer bildar joner brukar det bli åtta elektroner i det yttersta skalet. Man brukar ibland säga att atomerna ”vill ha oktett”, de bildar joner för att slippa ha ett annat antal i sitt valensskal.
Man kan säga att det är den här ”viljan” eller strävan att få oktett som gör att ämnen reagerar. Om man vet det kan man ibland förstå varför man ska vara försiktig. Man ska till exempel inte ta i jodkristaller med fingrarna. De består av jodatomer, så de har sju valenselektroner. De försöker alltså stjäla elektroner från fingrarnas molekyler, så att huden skadas. Man ska inte heller ta i natriumbitar med fingrarna, för natriumatomerna har en valenselektron, som lätt överlämnas till hudens molekyler så att dessa blir joner som de inte borde bli. Man säger att de här ämnena är reaktiva, de reagerar lätt med det de kommer i kontakt med. Både alkalimetaller och halogenerna är reaktiva. Ädelgaserna har redan oktett och är därför synnerligen oreaktiva. Man kan säga att de är stabila. De är benägna att fortsätta att vara så som de är. De skadar alltså inte människors hud.
De allra minsta atomerna i period 2, litium och beryllium, får visserligen inte oktett när de ger ifrån sig sina valenselektroner, för kvar blir ju då bara det innersta skalet, och det rymmer ju bara två elektroner, men de bildar joner på vanligt sätt. Litium bildar Li+ liksom de andra alkalimetallerna. Beryllium bildar Be2+ liksom de andra alkaliska jordartsmetallerna. Och väteatomen, med atomnummer 1, bildar jon genom att ge bort sin enda elektron. Den har alltså överhuvudtaget inget elektronskal. Vätejonen är bara en proton. Det gör vätejonen mycket speciell. Kapitlet om syror och baser kommer att handla speciellt om detta.
Vi har tidigare talat om att alla atomer ”vill ha” åtta elektroner i sitt yttersta elektronskal, men två för de lättaste. (Väteatomen kan i vissa fall bli helt utan elektronskal.)
Det finns tre sätt för en atom att få fullt ytterelektronskal:
Den kan ge bort elektroner. Den blir då en positiv jon eftersom den blir av med negativa laddningar. Metallatomer och väteatomer gör på detta sätt för att få oktett (eller fullt ytterelektronskal med två). Det har vi redan gått igenom.
Den kan ta emot några elektroner. Den blir då en negativ jon, eftersom elektronerna är negativa. Icke-metaller kan göra på detta sätt. Det har vi också gått igenom.
Atomen kan dela ytterelektroner med en annan atom. Det ska vi tala om nu.
Gemensamma elektroner. Om vi har två atomer, och den ena atomen har sju elektroner i sitt yttersta skal, och den andra också har sju, då är det möjligt för dem att få oktett om de håller sig så nära varandra att en av grannens elektroner är tillräckligt nära för att räknas till det egna skalet samtidigt som den räknas till grannens skal. Det är som två personer som båda har för lite bestick för att bjuda hem vänner. Om de flyttar ihop, då räcker besticken till. De är bundna till varandra, för så fort de flyttar isär upplever de brist på bestick igen. Samma sak med atomerna: Man säger att de är bundna till varandra med en kovalent bindning. Det är kovalenta bindningar som håller ihop atomer till en molekyl.
Det som håller ihop atomer, så att de inte alla far åt var sitt håll utan bildar ett fast ämne eller vätskedroppar eller molekyler, är olika slags bindningar.
Kovalent bindning kallas också molekylbindning. Det är kovalenta bindningar som vi har betecknat med en pinne i molekylmodellerna och med ett streck i strukturformlerna. En pinne är egentligen två elektroner som delas av två atomer. Icke-metaller kan göra på detta sätt, dela på sina ytterelektroner. Två ickemetall-atomer kan bilda en tvåatomig molekyl, t ex Cl2, där varje kloratom har sju ytterelektroner. Syreatomer har sex elektroner var, så två stycken kan få oktett om de delar på två par av elektroner. Det är det som kallas dubbelbindning och som betecknas med dubbelt streck eller två pinnar bredvid varandra. Kväveatomer har bara fem ytterelektroner, så de får oktett genom tre gemensamma elektronpar (trippelbindning). Större molekyler bildas när vissa atomer har elektrondelning med flera atomer samtidigt.
Jonbindning är när positiva och negativa joner dras till varandra. De bildar då en jonförening, till exempel koksalt. I saltkristaller är positiva och negativa joner radade turvis.
Metallbindning. När det inte finns någon icke-metall med, då kan det inte bli kovalenta bindningar. Det kan inte heller finnas negativa joner, och därför inte jonbindningar. Det som håller ihop metallatomerna, så att metall är så stark, är en tredje sorts bindning, metallbindning. Man kan säga att metallatomerna har gett ifrån sig sina ytterelektroner, men inte till någon bestämd atom. De delar dem, men inte med någon bestämd atom. Elektronerna rör sig fritt mellan metalljonerna utan någon speciell plats. Genom att de är negativa, drar de ihop de positiva metalljonerna. Så hålls metaller ihop. Oftast säger man att metaller består av atomer, även om kanske vore riktigare att säga joner och fria elektroner.
Periodiska systemet visar vilket atomnummer varje grundämnet ha. Atomnumret anger antalet elektroner i varje atom, när den är neutral. Man kan också se vilken period grundämnet ligger i. Periodnumret anger antalet skal. Och man kan se gruppnumret, som säger något om antalet ytterelektroner: Grupp 1 har en ytterelektron, grupp 2 har två - så långt är det enkelt. Sen blir det ett hopp. Grupp 13 har tre elektroner, grupp 14 har fyra och så vidare. Grupp 18 har åtta ytterelektroner.
De här grupperna kallas huvudgrupper. Grupperna däremellan kallas övergångsmetallerna, och hur många ytterelektroner de har är lite svårare att avgöra. Till höger i periodiska systemet finns icke-metaller. Till vänster finns alla metaller samt väte
Metallatomer ger lätt ifrån sig elektronerna i det yttersta skalet, så att de bildar positiva joner. Atomer av icke-metaller tar lätt emot elektroner så att de får åtta i det yttersta skalet (eller två för väte). De blir då negativa joner.
Joner skrivs med grundämnessymbol och plus- eller minustecken uppe till höger. Före tecknet kan det vara en tvåa eller en trea som visar om det är mera än en elektron som har överförts.
Positiva och negativa joner dras till varandra. Det kallas jonbindning. Det bildas en jonförening (ett salt). I en saltkristall är positiva och negativa joner radade turvis i raka rader.
Atomer av icke-metaller kan hållas ihop till molekyler av kovalenta bindningar. Atomerna får oktett genom att dela på de elektroner som de har.
Metallatomer hålls samman av metallbindningar. Elektronerna från det yttersta skalet är fritt rörliga mellan atomer/jonerna.
Det finns några viktiga joner som består av flera atomer. De är som en molekyl som fått extra elektroner eller förlorat någon elektron. De kallas komplexa joner. (Komplex betyder komplicerad eller sammansatt.) Man kan ibland bygga dem med atommodeller genom att lämna något hål öppet (positiv komplex jon) eller någon pinne stickande ut utan atom på (negativ komplex jon). Oftast bryr vi oss inte om det utan skriver bara bruttoformel. Vi anger som vanligt antalet av varje atomslag med en liten siffra nere till vänster efter atomsymbolen. Uppe till höger anger vi hur många plus- eller minustecken som hela komplexjonen har.
Nu ska vi behandla fyra viktiga negativa komplexjoner. Senare ska vi tala om några komplexjoner till. Medan vanliga negativa joner får ändelsen -id får negativa komplexjoner i stället ändelsen -at. man får lägga ner lite arbete på att hålla reda på dessa joner. Tillsammans med positiva joner ingår de i många vanliga jonföreningar.
Sulfatjon SO42- Ingår tillsammans med kalciumjoner i gips.
Nitratjon NO3- Ingår tillsammans med natrium eller kalium i salpeter, som används som växtgödningsämne.
Karbonatjon CO32- Ingår tillsammans med kalciumjoner i krita och marmor. Ingår tillsammans med natriumjoner i soda.
Fosfatjon PO43- Ingår tillsammans med kalciumjoner i tandemalj.
Vattenmolekyler klarar av att skilja positiv och negativa joner från varandra. Normalt dras joner med olika laddning till varandra, men om det finns många vattenmolekyler närvarande sätter sig de emellan. Vatten är bättre än de flesta ämnen på att hindra joner från att mötas. Det är därför som vatten är ett så bra lösningsmedel för jonföreningar. Na+ och Cl- skiljer den till exempel lätt åt. Så där det finns vatten och koksalt, där blir det saltlösning.
Men det finns några undantag - joner som attraheras så starkt till varandra, att vattenmolekylen inte klarar av hålla dem isär. Silverjonen och kloridjonen är ett sådant oskiljakligt par. De ingår i silverklorid AgCl. Det spelar ingen roll hur mycket vatten man sätter till. Inte ens några ynka korn av silverklorid löser sig. Det kan inte samtidigt vara silverjoner Ag+ och kloridjoner Cl- i en lösning.
Då kan man fråga sig vad som händer om man försöker tvinga ihop dem. Om man sätter ihop dessa två jonslag från olika lösningar.
Man kan lösa upp silvernitrat i vatten i ett provrör. Det går bra, för jonerna Ag+ och NO3- är inte ett sådant oskiljakligt par.
I ett annat provrör löser man upp "vägsalt" kalciumklorid, CaCl2. Det går också bra.
Sen häller man ihop de två provrörens innehåll. Då har man blandat ihop fyra olika joner, Ca2+, Cl-, Ag+ och NO3-. Av dem är det två som attraheras så starkt att de inte kan stanna i lösningen. Ag+ och Cl- slår sig blixtsnabbt samman och bildar många små kristallkorn av silvernitrat. Man ser dem först som en grumling. Den kallas för fällning. Om man filtrerar lösningen fastnar silverkloriden i filtret medan lösningen av de andra jonerna rinner igenom.
Lab: Undersök om ett okänt prov innehåller kloridjoner.
1. Gör lösningar av silvernitrat och kalciumklorid. Häll ihop dem, så att du ser hur en silverkloridfällning ser ut.
2. Du får sedan en lösning som du inte vet vad den består av. Ta reda på om den innehåller kloridjoner.
Väte är ett mycket speciellt ämne. Det är det vanligaste ämnet i universum.Väteatomen är den allra minsta atomen, atomnummer 1. Väteatomen sitter överst i grupp 1, ovanför alkalimetallerna. Den är visserligen inte själv en metall men brukar bilda positiva joner liksom de.
Vätejonen är ännu mera speciell, för den har inga elektroner alls. Den är bara en kärna, och den kärnan har normalt inte ens neutroner. Så vätejonen är bara en proton.
När en så liten jon träffar på en vattenmolekyl kommer den så nära vattenmolekylens elektroner så att den bäddas in bland dem. Från att ha haft noll elektroner får den då sitt elektronskal fyllt med två elektroner. Den stannar hopbunden med vattenmolekylen. Det som bildas är H3O+. På jorden träffar man inte så ofta på fria vätejoner, för det finns lite fukt överallt, och då slår den ihop sig med en vattenmolekyl till denna komplexjon. Den heter oxoniumjon.
Oxoniumjoner kan man känna igen på det att de lösningar där de finns smakar surt. Man säger då att oxoniumjonen har egenskapen att vara sur. (Det är liksom när man säger att kopparjonen har egenskap att vara blå, därför att men kan iaktta att olika kopparjonlösningar är blåaktiga.)
Ättika, citron, rabarber, lingon smakar surt. De innehåller oxoniumjoner.
Ibland förenklar man lite och säger att det finns vätejoner i sura lösningar, fast det egentligen är oxoniumjoner, som bildats när vätejoner och vattenmolekyler har förenats.
Det finns vissa molekyler som släpper ifrån sig vätejoner. De behåller alltså elektronen men låter kärnan ge sig iväg. En sådan molekyl kallas en syramolekyl. Den kan till exempel ge elektronerna till en vattenmolekyl, så att det bildas oxoniumjoner. Lägg märke till skillnaden mellan "syra" och "syre". Syre är ett grundämne, ett atomslag (O). Syra är ett protonavgivarämne.
Den här formeln visar en ättiksyramolekyl. Om man blandar ättiksyra med vatten ger varje molekyl bort en proton. Den kommer från den väteatom som sitter närmast syreatomerna i molekylen. Det som blir kvar av molekylen får då negativ laddning. Det är alltså en komplexjon. Den heter acetatjon. Molekylen har delat upp sig i två delar.
Ättiksyra → acetatjon + vätejon
CH3COOH → CH3COO- + H+
Det finns många andra organiska ämnen som är syror. I olika frukter finns det citronsyra, äppelsyra och askorbinsyra. I fil och youghurt finns det mjölksyra. I svett kan det finnas propansyra. När myror biter kan de spruta in myrsyra i såret.
Gemensamt för organiska syror är att deras molekyler har en kolatom bunden till två syreatomer, varav den ena är bunden till en väteatom. Det är den väteatomen som protonen lossnar ifrån. Deras namn slutar på -syra. Beroende på hur många kolatomer de har kan man ofta ge dem namn som börjar med met-, et-, prop-, but- och så vidare. Myrsyra är det samma som metansyra. (Met-an-syra säger att det är en kolatom, ingen dubbelbindning, en väteatom som sitter nära två syreatomer). Ättiksyra är det samma som etansyra. Smörsyra är det samma som butansyra. Andra syror har mer komplicerade molekyler med mer komplicerade namn.
Organiska syror är ofta ganska svaga syror. Det betyder att de inte skuffar bort protonerna med någon stor kraft. De släpper dem bara om det verkligen finns något ämne som mycket gärna tar emot dem. I en vattenlösning kommer en del av molekylerna att ha kvar sina protoner medan andra har gett över dem till vattenmolekyler.
Motsatsen till svag syra är stark syra. Starka syror skjuter iväg sina protoner med mycket stor kraft så snart det finns någonting som överhuvudtaget kan ta emot dem. Blandar man dem med vatten, då kommer hundra procent av molekylerna att ge bort protoner till vattenmolekylerna. I en sådan lösning finns det därför mycket joner. Den leder ström mycket bra. Den smakar starkt surt. Starka syror är oftast oorganiska ämnen.
svavelsyra → sulfatjon + proton
salpetersyra → nitratjon + proton
väteklorid ("saltsyra") → kloridjon + proton
Svavelsyra fräter hål i trä, papper och andra kolhydrater. Den används i bilbatterier (batterisyra). Den är lömsk på det sättet att om man har spillt av den då kan man inte vänta tills den har avdunstat, för bara vattnet i den avdunstar medan själva syran stannar kvar och är då ännu mer koncentrerad och frätande.
Salpetersyra har stickande lukt. Den färgar proteiner gula, till exempel huden.
Väteklorid är en gas som har stickande lukt. Den löses lätt i vatten. Den lösningen kallas saltsyra. Saltsyra bildas av körtlar och sprutas ut i magsäcken, för att döda bakterier i maten och hjälpa till att sönderdela proteinmolekylerna.
Vatten är en så svag syra att man inte känner någon sur smak. Men den kan ibland - ”motvilligt” - ge bort en av protonerna i molekylen. Det som blir kvar är en komplexjon som kallas hydroxidjonen. (Detta är ett undantag, att den har ett namn som slutar på -id, trots att den är en komplexjon.) Formeln är OH-
Ammoniak är en bas. Den är en gas med stark huggande lukt. Molekylen innehåller en kväveatom, N, och tre väteatomer.
När det kommer en proton slår den ihop sig med den och bildar en ammoniumjon.
Ammoniak + proton → ammoniumjon Ammoniak är en bas
Vi har tidigare nämnt att vattenmolekylen kan ta emot protoner och bli oxoniumjon. Vatten är alltså en bas. Men vatten är ingen stark bas, för det klarar inte av att ta emot alla protonerna från en svag syra.
vatten + proton → oxoniumjon Vatten är en bas (svag)
Också en jon kan vara bas. Hydroxidjonen kan ta emot en proton och bli en vattenmolekyl. Det är motsatsen till reaktionen där den bildades av vatten.
hydroxidjon + proton → vatten Hydroxidjonen är en bas
Hydroxidjonen är i själva verket en mycket stark bas. Så snart det är någonting i närheten som den kan få protoner av tar den dem och blir till vatten. Man kan naturligtvis inte ha hydroxidjoner för sig. De förekommer alltid tillsammans med positiva joner. Tillsammans med natriumjoner bildar de natriumhydroxid, som också kallas lut och används som propplösare i avlopp som blivit tilltäppta. Det är ett starkt frätande ämne.
En lösning som innehåller bas kallas en basisk lösning eller en alkalisk lösning. Tvättmedel för kläder och diskmedel brukar vara alkaliska.
Studieuppgift: Samla fakta om baser. Läs om kalk, ammoniak, lut, lutfisk, propplösare.
Vi har i tidigare avsnitt skrivit reaktionslikheter med protoner som tas och ges av olika molekyler. Men i den kemiska verkligheten finns det inga lösa protoner, som man kan ha i någon burk och hälla ner i ett provrör. Protoner vill alltid hålla sig inbäddade i någon molekyls elektronhölje. Det enda protonen gör ibland är att snabbt hoppa från den ena molekylen till den andra. Den ena molekylen ger och den andra tar proton. Den ena är syra och den andra är bas. Det vi människor kan göra när vi laborerar är att hälla ihop en syra och en bas, och då kan vi få protonerna att hoppa över. Det kallas neutralisation.
Saltsyra fräter, natriumhydroxid fräter. Vad händer om man blandar dem? Fräter det ännu mera? Nej. Den ena är stark syra och den andra är stark bas. De neutraliserar varandra om man har lagom mängder. Syramolekyler har vätejoner som de ger bort, baser tar gärna emot vätejoner. Vätejoner hoppar över.
Vi skriver det i flera steg: Först löser vi HCl i vatten. Då delar molekylen upp sig i vätejoner (inbäddade i vattenmolekyler) och kloridjoner. Sen löser vi också NaOH i vatten. Då får vi natriumjoner och hydroxidjoner. Sen blandar vi ihop de två lösningarna. Där finns då fyra jonslag: natriumjoner, kloridjoner, hydroxidjoner och vätejoner (förenade med vattenmolekyler till oxoniumjoner.) Vätejoner och hydroxidjoner slår ihop sig till vattenmolekyler. Kvar i lösningen blir natriumjoner och kloridjoner. Det är precis detsamma som om vi hade löst koksalt (natriumklorid) i vatten. Om vi sen kokar bort vattnet – både det vatten vi fanns med från början och det som bildats när vätejoner slog ihop sig med hydroxidjoner – då får vi koksalt kvar. Två frätande syror har blivit bara vanligt salt och vatten. De har neutraliserats.
Har man spillt ut en stark syra och det inte går att torka upp den, då kan man hälla en lämplig mängd bas för att neutralisera syran. På samma sätt är det om man spillt ut bas – man häller syra efter, men inte för mycket.
Om fisken dör i en sjö för att sjön är försurad brukar man kalka sjön. Man häller i kalk (kalciumhydroxid Ca(OH)2). Då neutraliseras vattenlösningen, så att den inte längre är sur.
Sen får man lösa det långsiktiga problemet: Varför har sjövattnet blivit försurat? Det har fallit surt regn, regndroppar som innehåller svavelsyra. Det beror på att man har eldat med brännolja som innehåller svavel. Då har det bildats svaveldioxidgas som gått ut genom skorstenen. När den kom i kontakt med syre bildades svaveltrioxid som fördes med vinden, och sen blev svavelsyra i kontakt med vatten.
För att mäta om någonting är surt eller basiskt eller neutralt använder man pH-skalan. Observera att man ska skriva lilla p och stora H. För sura lösningar är pH-värdet mindre än 7, för basiska lösningar är det större än 7.
Om man tar en av de starka syrorna och gör en koncentrerad lösning, det vill säga man späder inte ut den med särskilt mycket vatten, då blir pH-värdet 0 eller 1. Med svaga syror såsom ättiksyra brukar man inte få lägre pH-värde än 2 ens om man gör dem mycket koncentrerade. Vanligt vatten kan ha pH på precis 7, men det kan också vara 5, 6, 8 eller 9. Det beror på marken där brunnen finns vilka ämnen som har löst sig i det. Basiska lösningar, såsom tvättmedel har högre pH-värden. Natriumhydroxid-lösningar har pH kring 14. Ungefär 0 och 14 är gränserna för vad pH kan vara i en vattenlösning.
För att mäta pH-värdet på en lösning kan man använda ett instrument som heter pH-meter. Man doppar ner dess elektrod i lösningen och läser av pH-värdet på en instrumentets skala. En annan möjlighet är att använda en färgindikator. Det är ett ämne som antingen är en syra eller en bas och som har en speciell färg, som är olik färgen på det ämne som bildas efter protonhoppet. Det var en färgindikator (fenolftalein) som vi använde när vi undersökte lösningen som bildades när natrium reagerar med vatten. Vi droppade i fenolftaleinlösning i vattnet. Den var färglös före, men röd efter det protonhopp som skedde när natriumatomerna fick vattenmolekylerna att ge ifrån sig vätgas.
Ytterligare ett sätt att mäta pH är att använda ett indikatorpapper. Det är ett papper som är färgat med en indikator. När man doppar ner en remsa av sådant papper i en lösning ändrar remsan färg. Man jämför färgnyansen med färgskalan på förpackningen. Röda nyanser brukar betyda låga pH-värden och blå nyanser höga pH-värden. Däremellan brukar pappret bli grönt vid pH 7.
Studieuppgifter: Sök fakta om pH-värde och färgindikatorer.
Lab: Mät pH-värdet på olika lösningar. Testa olika rengöringsmedel och matvaror.
Material: Tre bägare (100 ml), två pipetter, tre urglas, tratt, etiketter, koncentrerad saltsyra, koncentrerad ammoniak, pipettflaska med lösning av BTB (bromtymolblått, en färgindikator), aktivt kol, filtrerpapper, stativ med tratthållare, gasbrännare, trefot med ståltrådsnät, tändstickor.
Utförande:
För undantags skull ska vi kunna smaka på ämnet som bildas. Därför ska alla kärl vara noggrant diskade.
Börja i dragskåp. Häll där upp ca 10 milliliter saltsyra i en bägare. Sätt på urglaset som lock, så att det inte kommer ut för mycket klorvätegas i laboratoriet.
Gå till din plats och sätt på etikett på bägarens sida. Sätt till en droppe BTB och sätt på urglaset igen. Notera i häftet vilken färg det blev.
Hämta ammoniak (ca 10 ml) i dragskåpet i en annan bägare, sätt på urglas som lock.
Sätt på etikett på ammoniakbägaren. Sug med en pipett upp ammoniak. Vänd inte på pipetten! Sätt på locken på båda bägarna så ofta som möjligt. Om det ändå kommer ut för mycket gaser kan man späda ut lösningarna med ca 10 ml vatten.
Börja neutraliseringen genom att ta av locket och droppa ner ammoniak i saltsyran och röra om noga hela tiden. I början händer inte så mycket, men när man närmar sig neutralpunkten måste man droppa långsamt och röra noggrant mellan dropparna, så att man inte går förbi neutralpunkten och får en basisk lösning. Färgen ska varken vara gul eller blå, utan grön.
Om man har satt till för mycket ammoniak, så att lösningen blir blå, då får sätta till mera saltsyra. Hämta några droppar saltsyra i den tredje bägaren, sätt på lock och etikett. Ta en annan pipett och droppa till saltsyra i den blå lösningen så att den blir precis grön. Går det för långt får du sätta till ammoniak igen och så vidare, ända tills den är grön.
Nu lösningen är grön vet vi att lösningen är neutral. Det var BTB som visade oss det. Nu behöver vi inte BTB längre. Vi tar bort det med aktivt kol. Kolpulvret dammar lätt, så se till att du inte smutsar ner något med det. Sätt till en halv tesked av det i den gröna lösningen.
Kolpulvret suger upp BTB. Nu måste vi få bort kolpulvret. Det gör vi genom filtrering. Ställ upp stativet med tratten och det vikta filtrerpapperet i. Häll lösningen genom filtrerpapperet. Filtratet består av bara vatten och ammoniumjoner och kloridjoner. Kolet med uppsuget BTB har stannat i filterpappret.
För att få bort vattnet kokar du lösningen i bägare på trådnätet över gaslågan. Låt det inte koka helt torrt, för då förstörs salmiaken. (Den sönderdelas lätt i ammoniak och saltsyra, så att det kommer ut gaser i rummet.) Den sista resten av vattnet brukar avdunsta medan bägaren svalnar.
Saltet som bildas kallas salmiak eller ammoniumklorid. Det är ätbart. Blandat med lakrits används det som godis.
Vi har använt ordet ”oxidation” tidigare. Den vanligaste oxidationen är när det bildas oxid. Det är när ett ämne reagerar med syre, "förbränns". Ämnet kan brinna vid hög temperatur, som när stearinet i ett ljus, smälter, förångas och förenar sig med syret i luften i lågan. Det kan också förbrännas utan hetta, som när trädgårdsavfall multnar i en kompost och kolhydraterna i det förenas med luftens syre. I båda fallen bildades det koldioxid och vatten, och det är vad det blir när andra organiska ämnen förbränns också. Kolatomerna blir koldioxid. Väteatomerna blir vatten, som också kallas väteoxid. Finns det andra atomslag i molekylen, då blir också de syreföreningar, och syreföreningar har namn som slutar på -oxid. Och om det är oorganiska ämnen eller grundämnen som bildas, är det samma oxider bildas.
Vi ska gå igenom periodiska systemet och se på vad för slags oxider det blir av de olika grundämnena. Längst till höger har vi ädelmetallerna (grupp 18). De kan inte bilda oxider.
Nära dem, uppe till höger har vi några icke-metaller som bildar oxider: svavel som bildar svaveldioxid, kol som bildar koldioxid och några till är alla binder med kovalenta bindningar till syreatomerna. Dessa oxider är alltså molekylföreningar. Molekylerna är så små att de är gaser.
Väte bildar vatten som är en molekylförening och är vätska vid vanlig temperatur.
Helt annorlunda är det med metallerna, det vill säga alla de övriga cirka 80 grundämnena, de som finns i vänstra halvan av periodiska systemet. Deras oxider är jonföreningar, som består av positiva metalljoner och negativa oxidjoner. De är alltså alla fasta ämnen.
Alkalimetallerna, grupp 1, är de som lättast förenar sig med syre. (Det var därför vi måste förvara natriummetallen nedsänkt i olja – för att det inte skulle komma in syre till den.) Alkaliska jordartsmetallerna (grupp 2) förenar sig också ganska lätt med syre). Metallerna längre till höger (period 3 – 12) måste man däremot hetta upp ordentligt för att de ska reagera med syre.
Exempel:
C + O2 → CO2 (molekyl)
2 H2 + O2 → 2 H2O (molekyl)
2 Na + O2 → NaO2 (jonförening)
CaO2 → 2 CaO (jonförening)
I vattenlösning sker helt olika saker beroende på om oxiden är en molekylförening eller en jonförening.
1) En molekylförening: Koldioxidmolekylen slår ihop sig med en vattenmolekyl, så att det bildas en kolsyramolekyl. Den ger ifrån sig vätejoner. Lösningen blir alltså sur.
CO2 + H2 O → H2CO3
H2CO3 → H+ + HCO3-
2) En jonförening kan i princip dela upp sig i joner:
NaO2 → Na+ + O2-
CaO → Ca2+ + O2-
I vattenlösning hinner det egentligen inte bildas några oxidjoner innan de har tagits om hand av vattenmolekyler.
O2- + 2 H2 O → 2 OH-. Det bildas alltså direkt hydroxidjoner. Lösningen blir alkalisk.
Sammanfattningsvis: Oxider av metaller är basiska, oxider av icke-metaller är sura. Ädelgaser bildar inte oxider.
Material: Cirka 20 kemikalier från skolans kemikalieskåp. En del är i burkar. Du får öppna burkarna och titta men ska inte ta ut någonting av innehållet. Natrium minns ni från tidigare. Titta på etiketterna, dra slutsatser och komplettera tabellerna.
