Urvalsprov i miljövetenskaper 2010 / Modellsvar för de obligatoriska uppgifterna i kemi 1. Det periodiska systemet för grundämnen Den första, som byggde upp ett periodiskt system för grundämnen, var den ryske kemisten Mendelejev år 1869. Han ordnade grundämnena enligt deras atomvikter från de lättaste till de tyngsta och märkte att i den kö han erhållit uppträder liknande kemiska egenskaper i perioder. Periodiciteten var så regelbunden, att han med hjälp av den förutspådde egenskaper för grundämnen, som då ännu var okända. Då grundämnena senare upptäcktes, visade sig spådomarna vara förvånansvärt exakta. Det periodiska systemets vågräta rader kallas perioder. Där är grundämnena placerade enligt deras atommassa i stigande ordning. Då grundämnena kan ha 1-7 elektronskal, blir det sju perioder. Periodens (radens) nummer anger alltså hur många fyllda elektronskal grundämnet har. Skalets ordningsnummer är det samma som perioden. Då man rör sig från vänster till höger i perioden växer grundämnets ordningsnummer och protonernas antal. Grundämnenas kemiska egenskaper varierar vanligen betydligt inom samma period. Systematiska förändringar syns tydligast mellan grundämnen i det periodiska systemets huvudgrupper. De lodräta kolumnerna i det periodiska systemet kallas grupper och de är 18 till antalet. Enligt oktettregeln kan det i det yttersta elektronskalet finnas maximalt 8 elektroner. Enligt den här regeln kan grundämnena grupperas i åtta huvudgrupper, dessutom får man tio sidogrupper. Eftersom de yttersta elektronerna i elektronhöljet bestämmer grundämnets kemiska reaktivitet, är likheterna i kemiska egenskaper större inom samma huvudgrupp än inom samma sidogrupp. På motsvarande sätt är skillnaderna i kemiska egenskaper mycket större mellan huvudgrupperna jämfört med skillnaderna mellan egenskaperna i olika sidogrupper. Besläktade grundämnen finns i samma grupper. T.ex. i övergångsmetallerna (lantanoiderna) går elektronerna till de inre skalen tills de är fyllda. Dessa har alla en eller två elektroner på den yttersta banan. Därför påminner lantanoider kemiskt mycket om varandra. Grundämnena i huvudgrupperna har i det yttersta skalet så många elektroner som gruppens romerska nummer anger. Huvudgrupperna har namngivits som följer: grupp I alkalimetaller, grupp II jordalkalimetaller, grupp III, som inte har något egentligt namn, börjar med ickemetallen bor och fortsätter med metaller, grupp IV kolgruppen, grupp V kvävegruppen, grupp VI syregruppen, grupp VII halogener och grupp VIII ädelgaser (helium, neon, argon, krypton, xenon och radon). Ädelgasernas yttersta elektronskal är alltså fyllda (8 elektroner utom 2 för helium). Det periodiska systemet kan också indelas enligt atomorbitalernas fyllnadsföljd i s-, p-, doch f-blocken. Grupperna 1 och 2 samt helium hör till block s, grupperna 13-18 (utom helium) till block p, grupperna 3-12 (övergångsmetallerna) till block d samt lantanoiderna och aktinoiderna i grupp 3 till block f. 2. Definiera kort följande begrepp a) Ett hygroskopiskt ämne Ett hygroskopiskt ämne har en benägenhet att suga i sig vatten b) Sublimation En direkt omvandling av ett ämne från fast form till gas c) Osmos Lösningsmolekylers (lösningsmedels) strömning genom ett semipermeabelt membran från en svagare lösning till en starkare d) Hydratisering Vattenmolekylers bindning till joner med dipol-dipolbindningar. Eller: När ett salt löser sig i vatten uppkommer runt de från kristallen avspjälkta jonerna ett hölje av vattenmolekyler, dvs. hydratisering förekommer. e) Estrering Estrering är en kondensationsreaktion mellan syra och alkohol, där det uppkommer ester och vatten. f) Dubbeljon En molekyljon med både en anjongrupp och en katodgrupp. Aminosyror uppträder som dubbeljoner. g) Kiralt centrum En kolatom med fyra direkta bindningar till olika atomer eller atomgrupper bildar ett kiralt centrum. h) Fossila bränslen Energikällor i form av kolväten, som uppstått under äldre geologiska perioder, t.ex. stenkol, olja, naturgas, torv i) Vilka organismer omvandlar atmosfäriskt kväve till en för växter och djur användbar form? Kvävefixerande bakterier j) Nivåer för proteiners struktur Primär, sekundär, tertiär och kvaternär struktur 3. I en sjö finns 1,0 x 1010 dm3 vatten. På grund av sur nederbörd har vattnets pH sjunkit till 5,0. Miljöforskare föreslår att surheten minskas genom att sjön tillförs kalciumkarbonat så mycket, att pH blir 6,0. Beräkna: a) Vilken är sjöns oxonium-jonkoncentration i början och då pH höjts till 6,0? Ursprungligen [H3O+] = 10-5 mol/dm3 Och vid pH 6 [H3O+] = 1 x 10-6 mol/dm3 b) Hur många mol oxoniumjoner finns i sjön då dess pH är 6,0? 1 x 10-6 mol/dm3 x 1 x 1010 dm3 = 1 x 104 mol c) Hur mycket kalciumkarbonat i fast form måste tillföras för att höja sjövattnets pHvärde till 6,0? Kalciumkarbonat neutraliserar syran (H+) enligt följande balanserade reaktionsformel: CaCO3 + 2 H+ –> Ca2+ + H2O + CO2. (3 p.) En (1) mol kalsiumkarbonat neutraliserar två (2) mol oxoniumjoner. MCaCO3 = 40,08 + 12,01 + 48,00 = 100,09 g/mol Mängden oxoniumjoner, som skall neutraliseras, är 1,0 x10-5 mol/l x 1,0x1010 l - 104 mol/l = 9 x 104 mol/l m=nxM m CaCO3 = 0,5 x 9,0 x 104 dm3 x 100,09 g/dm3 = 4,5 x 103 kg