Sammanfattning Kemikursen hösten 2015 åk 9 Neutralisation av en syra och en bas • Vi tog saltsyra och natriumhydroxid och neutraliserade ( ph7). • Då bildades vatten och salt. • HCL + NaOH H+ + CL- +Na+ + OH- H2O + NaCl • Om vi låter vattnet dunsta bort återstår saltet, vanligt bordssalt. • Ett salt är en jonförening. • En positiv och en negativ jon som förenas • Salter bildar kristaller. Många jonföreningar sitter ihop och bildar en formelenhet. Namn • Metalljonen först. Om det är en ensam negativ jon får den ändelsen – id. T.ex. natriumklorid • Om den negativa jonen är en sammansatt jon får den ändelsen –at eller –it. T.ex. kopparsulfat • Kopparsulfat sammansatt negativ jon SO42• Natriumklorid • Bariumnitrat ensam negativ jon Clsammansatt negativ jon NO3- Jonföreningar hålls samman av elektrostatiska krafter • När Na+ och CL- möts uppstår en skillnad i laddning som håller ihop jonerna. Plus dras mot minus. Elektrostatiska krafter. • Jonföreningar är starka. Det krävs mycket energi för att bryta en jonförening. T.ex. Natriumklorid smälter vid 801° C och kokar vid 1413 ° C • Men det går lätt att lösa NaCl i vatten. • Vattenmolekylen har en positiv och en negativ sida, dipol. • Vattenmolekylen kommer att lägga sig mellan Na+ och Cl- så att det bildas fria joner. Molekyler delar elektroner • Molekyler hålls samman för att de delar elektroner, ske elektronparbindning. • T.ex. vattenmolekylen • Väte har en valenselektron och syre har 6 valenselektroner. • Genom att dela elektroner uppnår två väteatomer och en syreatom ädelgasstruktur. Vi behöver natrium men äter ofta för mycket • Eftersom salt har en konserverande effekt blev salt en mycket viktig, tidig handelsvara. • Natrium styr vätskebalansen i kroppen. Natrium- och kaliumjoner är också viktiga för den elektriska överföringen av nervimpulser i t.ex. hjärnan och muskler. • Men vi överskrider ofta dagsbehovet på ca 5g/dygn, ofta äter vi 10-12 g/dygn. • För mycket salt kan bland annat orsaka högt blodtryck och benskörhet. • NaCl används som råvara inom industrin vid tillverkning av natriummetall, natriumhydroxid, klorgas och saltsyra. • NaCl används till vägsalt. Sänker vattens smältpunkt. Salter • Gips förekommer i två varianter. • Obränd gips: CaSO4 · 2 H2O • Bränd gips: CaSO4 • Skillnaden beror på vattenmolekyler. När vattenmolekylerna i obränd gips dunstar stelnar gipset och bildar bränd gips. • Salmiak ett smakämne, används även vid tillverkning av konstgödel. • Framställs ur ammoniak och saltsyra: NH3 + HCl NH4Cl Svårlösliga salter • Vissa salter är svårlösliga. Detta kan utnyttjas vid kemiska analysmetoder. Reagenser. • Silvernitrat kan användas för att upptäcka kloridjoner. • Om det finns kloridjoner bildas ett svårlösligt salt Silverklorid. Det bildas en fällning. • Ag+ +Cl- AgCl • På liknande sätt används Bariumklorid används för att identifiera sulfatjoner: • Ba+ +SO42- BaSO4 bariumsulfat är ett svårlösligt salt, ger fällning Identifikation av karbonatjoner • För att identifiera karbonatjoner kan saltsyra användas. Det bildas koldioxid och bubblar. CO32- + 2HCl → CO2(g) + 2Cl - + H2O • För att identifiera den positiva metalljonen i en jonförening kan vi använda oss av lågtest. • När en metalljon tillförs energi ( hettas upp) kan en elektron hoppa till ett yttre skal. Jonen blir exciterad. När elektronen faller tillbaka till sin ordinarie plats sänder den ut energi (emitterar) i form av elektromagnetisk strålning (foton). Beroende på hur mycket energi elektronen gör av med när den faller tillbaka bildas färger. Violett mest energirikt och rött mindre energirikt. (ROGGBIV) Periodiska systemet • En atom består av 3 partiklar: positiva protoner p+, neutrala neutroner n0 och negativa elektroner e-. • Periodiska systemet är en karta över kända grundämnen. • Atomnumret talar om antalet protoner. • Alla grundämnen är neutralt laddade dvs. det finns lika många protoner som elektroner. • Ex grundämnet Natrium Na har atomnummer 11 Det säger oss att det finns 11 p+ och 11 e- Periodiska systemet • • • • • Man kan beräkna antalet neutroner i ett grundämne Atommassa – atomnummer = antal neutroner Ex Natrium har Atommassan 22,989770 vilket vi avrundar till≈23 23-11 = 12 neutroner Isotoper är varianter av grundämnen. De har alla lika många protoner men de kan ha olika antal neutroner. I periodiska systemet visas de vanligaste isotoperna. • Väte 1p+, deuterium 1p+ och 1 n0, tritium 1p+ och 2 n0. Alla är väte men de har olika antal neutroner. • Tyngre grundämnen tenderar att ha fler neutroner. De behövs för att utjämna repellationskraften hos många protoner. • T.ex kvicksilver 201-80=121 neutroner Valenselektroner och valensskal • Elektroner rör sig runt atomkärnan (protoner och neutroner). Elektronerna befinner sig på olika avstånd från kärnan. Vi kallar dessa avstånd för elektronskal. • Elektronskalen har olika namn K-L-M-N osv. • Det yttre skalet kallas valensskal och där finns sk. valenselektroner. • Det får plats ett visst antal elektroner i resp skal. De första 20 grundämnena är regelbundna: K-skalet max 2 eL-skalet max 8 eM-skalet max 8 eDärefter kan det bli mer oregelbundet • Med formeln 2·n2 ( n = Elektronskalets nr) kan det maximala antalet elektroner i ett skal beräknas. • Valensskalet, det yttersta skalet innehåller aldrig mer än 8 elektroner. Elektronkonfigurering • Med kännedom om elektronskal och atomnummer kan elektronkonfigurering beräknas. • Ex Fosfor P med atomnummer 15 har lika många elektroner som protoner dvs 15. • K-skal 2 • L-skal 8 • M-skal 5 2-8-5 Perioder och grupper • I periodiska systemet är grundämnena ordnade i nummerordning (atomnummer) • Perioder är vågräta rader och anger hur många elektronskal ämnet har. • Grupperna är lodräta kolumner. Grupp 1 har en valenselektron, Grupp 2 har 2 valenselektroner. Grupp 13 har 3 valenselektroner osv. Grupperna stämmer således inte för grupp 3-12. Hos de sk. övergångsmetallerna varierar antalet valenselektroner Ädelgas struktur ( oktettregeln) • Ädelgaserna i period 18 har fulla valensskal. • Därför reagerar de sällan med andra ämnen. • Eftersom övriga ämnen strävar efter att uppnå ädelgasstruktur kan vi förutsäga hur grundämnen kommer att bilda joner. • Allmänt kan man säga att ämnen till vänster i periodiska systemet lätt bildar positiva joner och ämnen till höger bildar negativa joner. • Ämnena i grupp 1 har en valenselektron. De kan uppnå ädelgasstruktur genom att släppa ifrån sig sin valenselektron. Eftersom skalet innanför då blir fullt. • Ämnena i grupp 17 har 7 valenselektroner och tar gärna emot en elektron för att få fullt valensskal. Laddning • När ett grundämne släpper ifrån sig en elektron bildas en positiv jon. • Ex Na atomnummer 11 med elektronkonfigurering 2-8-1. Om natrium släpper ifrån sig sin valenselektron har den 11 protoner och 10 elektroner: 11p+ och 10e-. Laddningen blir positiv. • När ett grundämne tar upp en elektron bildas en negativ jon • Ex Cl med atomnummer 17 har 17p+ och 17e- och elektronkonfigureringen 2-8-7. Om klor tar upp en elektron för att få ädelgasstruktur får den 17p+ och 18e-. Laddningen blir negativ. • Det går relativt enkelt att förutse vilken laddning ämnen i grupp 1 och 2 får samt grupp 13-17. • Antal valenselektroner talar om vilken möjlig jon som kan bildas. • Ämnena i grupp 3-12 är inte lika regelbundna. Då får man kolla i tabeller eller lite mer avancerade periodiska system t.ex. www.ptable.com Metalloxider • Jonföreningar av metall och syrejoner • Två former av järnoxider förekommer: • När järn brinner i syrgas bildas hematit, blodstensmalm • 4Fe +3O2 2Fe2O3 • När järn brinner i vanlig luft bildas magnetit, svartstensmalm • 3Fe +2O2 Fe3O4 Rost eller oxidskikt • När metaller reagerar med syre och vatten bildas oxider. • Oxider kan vara skyddande eller vittrande (förstörande) • När järn rostar vittrar järnet sönder. Det förstörs. • Andra metaller får ett skyddande oxidskikt t.ex. T.ex. zink, aluminium och krom får skyddande oxidskikt. • Ädla metaller som guld och platina bildar inte metalloxider men silver kan få en svart beläggning, silveroxid och koppar ärgar (får ett grönt skyddande oxidlager) . • Rubiner består av aluminiumoxid och kromjoner. • Safirer består av aluminiumoxid och titanjoner. Metaller • Metaller har speciella egenskaper: • Fyra viktiga egenskaper: 1. De leder elektricitet bra. 2. De leder värme bra 3. De har metallglans 4. De kan smidas eller gjutas Atomerna hålls samman av sk metallbindning. Valenslektronerna delas av alla atomer i ett elektronmoln. Detta gör att metaller leder ström bra. Densitet smält och kokpunkt • Atomerna i metaller sitter tätt ihop. Det får plats många per volymenhet. • Detta gör att metaller ofta har hög densitet. Vikt/volym kg/ m3 • Metallbindningen gör att metaller oftast har hög smält och kokpunkt. • Ädla metaller ingår sällan kemiska föreningar. Därför kan man hitta t.ex. en guldklimp. • Oädla metaller förekommer oftast som kemiska föreningar och kallas då mineraler. • Om en bergart (blandning av sten och mineral) innehåller tillräckligt mycket metalljoner för att det ska vara värt att bearbeta den kallas det för malm. Malm till metall • • • • • • • • • • I stort sett sker metallframställning enligt följande: gruvbrytning Grovkrossning Anrikning kemisk process där metalljoner omvandlas till metall separation där man framställer rena metaller Bearbetning Tillverkning färdig produkt Användning Soptipp eller återvinning Järnframställning • Järnmalm innehåller järnoxid. I en masugn hettas järnmalm upp tillsammans med kol. Koldioxid leds bort och man framställer sk råjärn med relativt hög kolhalt. Detta järn är inte så formbart det blir sprött. • I en annan process som kallas färskning minskas kolhalten från 4 till 2%. Då bildas stål. Stål är mycket lättare att bearbeta, det kan gjutas och hamras till olika form. • I processen oxideras syre och järnjoner reduceras till metall. • (O2-)4 4O + 8e- (oxidation) • Fe2+ + (Fe3+)2 + 8 e- 3Fe (reduktion) • En redoxreaktion sker Fe3O4 +4 CO 3Fe +4CO2 • Järnoxid och kolmonoxid järnatomer och koldioxid Miljöpåverkan • Metallframställning har stor påverkan på miljön. • Malmrester sk slagg bildar giftiga ämnen som rinner ned i grundvattnet. Rökgaserna innehåller koldioxid och svaveldioxid. Man har blivit bättre på att ta hand om restprodukterna. • Metaller är inte en oändlig resurs. Vi måste hushålla med dem. Med återvinning spar vi resurser och skyddar miljön. Återvinning är dessutom ofta billigare än att utvinna metall ur malm. • Det finns framförallt tre tungmetaller som är skadliga för allt levande: • Pb, Cd och Hg • Bly, kadmium och kvicksilver • Bland lättmetallerna är aluminium skadligt för naturen • Två ovanliga och svåråtkomliga metaller är tantal och indium som används vid tillverkning av mobiltelefoner. Metaller • Den vanligaste metallen i jordskorpan är järn, därefter kommer koppar. • Kalciumjoner finns i skelettet, Kalium- och natriumjoner gör det möjligt att överföra elektriska nervsignaler, natrium reglerar vätskebalansen, järnjoner i hemoglobin transporterar syre i blodet. • Legeringar är blandningar av metaller t.ex. brons, mässing, rostfritt stål. Metallerna i en legering ger nya egenskaper. T.ex. rostar inte, lättare att bearbeta, magnetiskt –ickemagnetiskt. • En ny typ av legering är metallglaser. Korrosion latin korrodera- gnaga sönder • Järn rostar om det utsätts för vatten och syre. • Andra metaller oxiderar men de förstörs inte. Det bildas en skyddande hinna t.ex. aluminiumoxid, zinkoxid, kromoxid. • Vanliga rostskydd är galvanisering och förzinkning. • Man kan använda sig av en offeranod. • Elektrokemiska spänningsserien är en lista av ädla och oädla metaller. • De oädla släpper lätt ifrån sig elektroner och bildar positiva joner vilket de ädla metallerna inte gör lika lätt. • En offeranod kan skydda en ädlare metall. Offeranoden tillåts rosta men skyddar då den ädlare metallen. Batterier Galvaniskt element • Principen för ett galvaniskt element: • Två olika metaller, en jonlösning samt en yttre ledare ( sladd). • En redoxreaktion där ett ämne oftast den oädlaste metallen oxideras och ett annat ämne reduceras. Elektroner rör sig genom den yttre ledaren vilket skapar elektricitet. • Det finns många olika typer av batterier med olika typer av ämnen: brunstens, alkaliska, blyackumulatorer, ni-cd, li-jon, etc. • Litium-jonbatterier används t.ex. i mobiltelefoner. • Vissa kan inte laddas om, primärcell medan andra är laddningsbara sk. sekundärcell eller ackumulator. Oxidation och reduktion • När ett ämne avger elektroner kallas det för en oxidation. • Ofta metaller som bildar joner t.ex. • ZnZn2+ + 2 e• Grundämnet zinkmetall bildar en zinkjon och avger samtidigt 2 elektroner. Ämnet blir mer positivt. • När en atom upptar elektroner kallas det för reduktion. T.ex. • 2H+ + 2 e- H2(g) • Vätejoner tar upp 2 elektroner och bildar vätgas. Ämnet blir mer negativt. Citronbatteriet • Två metaller koppar och zink. En sladd och en jonlösning. Citronsaft är surt, lågt pH, innehåller många vätejoner H+. • Zink oxideras vid minuspolen: ZnZn2+ + 2 e• Väte reduceras vid pluspolen: 2H+ + 2 e- H2(g) • Redoxreaktion: Zn + 2H+ Zn2+ + H2 • Kolla att det är lika många elektroner i oxidationen som reduktionen. Då blir formeln balanserad. • Väte finns med i elektrokemiska spänningsserien eftersom väte kommer att tvinga oädlare metaller att oxideras samtidigt som väte reduceras. Händer det något • Du har två lösningar den ena innehåller aluminiumjoner och silvermetall. Den andra innehåller aluminiummetall och silverjoner. • Alternativ 1: Al3+ och Ag • Alternativ 2: Al och Ag+ • Alternativ 1, det händer ingenting Aluminium är oädlare än silver och silver kommer inte att oxidera. • Alternativ 2: Silverjonerna kommer att reduceras och aluminium kommer att oxidera. • Al Al3+ + 3 e(ox) Ag+ + e- Ag (red) olika antal elektroner , balansera: 3 Ag+ +3e- 3 Ag • Redox: Al + 3 Ag+ Al3++ 3 Ag Aggregationstillstånd i formler • Beteckningen (aq) betyder i vattenlösning • Beteckningen (s) står för solid, fast • Beteckningen (g) står för gas • Därför borde redoxreaktionen bli: Al(s) + 3 Ag+(aq) Al3+(aq) + 3 Ag(s) • Den ädlare metallen måste vara i jonform för att en reaktion ska kunna ske. Bränslecellen • I en bränslecell används platina som metall vilket tyvärr gör detta batteri mycket dyrt. Fördelen är att de enda restprodukten är vattenånga. • Vätgas oxideras och syrgas reduceras. • H2 (g) 2 H+(aq) + 2 e(ox) (något förenklat) • O2 (g) + 4 e- 2O2- (ag) (red) • olika antal elektroner, balansera • 2H2 (g) 4 H+(aq) + 4 e- (ox) och O2 (g) + 4 e- 2O2- (aq) (red) • Vätejoner och syrejoner bildar vatten • Redox 2H2(g)+ O2(g) 2H2O Luigi Galvani och Alessandro Volta • Luigi Galvani upptäckte att man kunde få en död groda att rycka till om man vidrörde en nerv med två olika metaller. • Alessandro Volta byggde vidare på Galvanis upptäckter och skapade det första batteriet år 1800. • Voltas stapel bestod av zink och koppar metaller med en saltsyreindränkt pappersbit mellan. Många sådana celler gav upphov till elektrisk ström. Elektrolys - ett bakvänt batteri • I ett batteri omvandlar vi kemisk energi till elektrisk energi. • Med elektrolys omvandlar vi elektrisk energi till kemisk energi. • Principen för elektrolys: Två olika metaller eller elektroder som leder ström bra, en yttre spänningskälla ( t.ex. ett batteri) samt en jonlösning ( elektrolyt) • Man kopplar enligt pank-regeln: positiv anod och negativ katod. • Det bildas överskott och underskott av elektroner. • Underskott vid anoden och överskott vid katoden. • Negativa joner dras mot anoden och positiva joner dras mot katoden Elektrolys av saltsyra • Elektroderna kan vara kolstavar som leder ström bra. • Elektrolyt av HCl HCl(aq) H+(aq) +Cl-(aq) • Negativa joner dras till anoden • 2Cl-(aq) Cl2 (g)+2eklorjoner oxideras till klorgas • Positiva joner dras till katoden: 2H+(aq) + 2 e- H2(g) Vätejoner reduceras till vätgas • Redox: 2H+(aq) + 2Cl-(aq) H2(g) + Cl2 (g) Klor- alkalimetoden • Inom den kemiska industrin framställs klorgas och natriummetall ur natriumklorid. Natriummetallen kommer omedelbart att reagera med vattnet och bilda NaOH • Redoxformeln: 2 Na+ + 2Cl-2 Na(s)+Cl2 (g) skriv oxidations- och reduktionsformler. • 2Cl- Cl2(g) +2eoxidation av klorjoner • 2Na+ +2e- 2 Na(s) reduktion av natriumjoner Aluminiumframställning genom elektrolys • Bauxiten hettas upp tillsammans med natriumhydroxid och bildar Al2O, aluminiumoxid. • Med hjälp av elektrolys tvingar man aluminiumjonerna att reduceras. • Al3+ + 3 e- Al(s) • Eftersom en reduktion aldrig sker ensam måste något ha oxiderats. • Skriv en oxidationsformel då syre oxideras till syrgas • 2O2- O2 + 4 e- • Al3+ + 3 e- Al(s) • 2O2- O2 + 4 e• Olika antal elektroner vi måste balansera. • 4Al3+ + 12 e- 4Al(s) • 6O2- 3O2 + 12 e• Nu är formlerna balanserade så att vi kan skriva Redox • 4Al3+ + 6O2- 4Al(s) + 3O2 (g) Vissa ämnen förekommer alltid parvis • Vätgas, syrgas och klorgas förekommer alltid parvis: • H2 O2 Cl2 • Aluminiumframställning är mycket energikrävande. Då är det särskilt viktigt att återvinna aluminium. Förzinkning • Positiv anod zinkmetall • Negativ katod järnmetall • Elektrolyt zinkjoner. • Vid anoden oxideras zinkmetall till zinkjoner: • Zn Zn2+ +2e• Vid katoden reduceras zinkjoner till zinkmetall och fastnar på järnet. • Zn2+ + 2e- Zn • Redox: Zn + Zn2+ Zn2+ + Zn Två syften med förzinkning • När man belägger järn med ett tunt lager zink uppnås två syften: • Zink kommer att bilda ett tunt oxidskikt som förhindrar korrosion. • Om zinklagret lossnar någonstans, kommer zinken att fungera som offeranod. • Med liknande metoder kan man förhindra korrosion t.ex. varmförzinkning och förkromning. • Man kan även med hjälp av elektrolys lägga på tunna skikt av andra metaller t.ex. försilvring och guldplätering. Därmed är sammanfattningen av denna kemikurs klar • Resten av tiden innan prov används för instudering. • Prov v 47 onsdag.