Kemi 1

Kemi handler om stoffers opbygning:

Hvad er de opbygget af? Hvad skyldes deres egenskaber? Hvordan laves de?

 

Vand - kemisk set 

 

Vand kan være...

...fast stof (is)

...væske (vand)

...luftart (gas)

 

Dets egenskaber beror på dets opbygning:

    Denne formel for vand fortæller, at
- vand er opbygget af H2O-byggesten kaldet H2O-molekyler
- hver eneste "vandbyggesten" igen er opbygget af de to slags
"elementer" (atomer), H og O, og 2-tallet fortæller, at der er to H'er for hvert O.

Sådan cirka ser et vand-molekyle ud, når det forstørres rigtig meget.

 

 

Modellervoks-modeller af vand-molekyle   -  hver kugle svarer til et atom.

Vand-molekyler består af to hydrogen-atomer (H) på ét oxygen-atom (O).
Den "skæve" opbygning forklarer mange af vands egenskaber.

 

Naturgas

Viborg Kraftvarmeværk bruger
naturgas til el- og varme-produktion.

 

Naturgas hedder også metan.

Formel: CH4

Metan er i nær familie
med lightergas.

 

Oxygen (ilt)

Den luft, vi indånder indeholder oxygen. Formel: O2

 

En kemiske reaktion

Her er oxygen og metan.

Vi opvarmer ("sætter ild til") blandinge af oxygen og metan.

Molekylerne går i stykker og bliver
en kort tid til frie atomer.

Frie atomer vil hurtigt forene sig med andre atomer i nærheden.

I dette tilfælde vil kulstof-atomet "indfange" to oxygen-atomer og danne kuldioxid (CO2),

og nogle oxygen-atomer vil indfange hydrogen-atomer og danne vand (H2O).


 

Det hele kunne skrives sådan:

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

- og vises sådan:


 

Skifter vi metan ud med træ, stearin, papir eller lignende, har vi her en grund-formel for al forbrænding.

 

Nok en kemisk proces

Her laver vi vand af hydrogen og oxygen. Når vi blander de to gasser i et reagensglas og antænder blandingen eksploderer den, og ud af det kommer vanddamp.

2H2 + O2 2H2O + energi (varme)

 

Grundstoffer og kemiske forbindelser

Stoffer som hydrogen (H2 ) og oxygen (O2) kaldes grundstoffer, fordi deres molekyler består af ens atomer.

Vand (H2O) er en kemisk forbindelse, fordi dets molekyler består af to forskellige slags atomer.

I naturen findes kun ca. 90 grundstoffer, men utallige kemiske forbindelser.

 

Til venstre har vi grundstoffer

.......til højre kemiske forbindelser

 

Et atom under lup

Verdens simpleste atom, hydrogen-atomet, er opbygget af to partikler: Én proton og én elektron.

Protonen udgør atomkernen - den er positiv (+ elektrisk).

Elektronen hvirvler i en bane uden om kernen. Den er negativ (¯ elektrisk)

 


Det var faktisk bedre at tegne atomet således:

.

Elektronen hvirvler så hurtigt om kernen, at den nærmest danner en kugleskal

Et hydrogen-molekyle vil da se sådan ud,

...og et vandmolekyle således:

Vi foretrækker dog som regel at tegne dem som på den første tegning, planetmodellen, fordi den giver flere oplysninger.

 

De næste numre i rækken

 

Atom nr. 2 hedder helium (He). 

Helium har 2 protoner i kernen og desuden 2 neutroner (grønne) - udenom 2 elektroner.

 

 

Atom nr. 3 hedder litium (Li). 

Litium har 3 protoner og 4 neutroner i kernen - udenom 3 elektroner.

Litiums yderste elektron "sidder meget løst", så Li-atomet kan let miste det. Så får det overskud af protoner, og hele atomet bliver positivt.
Vi har da en litium-ion.

 

Flere ioner

Atom nr. 8 - oxygen - har 8 protoner og 8 neutroner i kernen og 8 elektroner udenom.

I yderste skal (bane) er der to elektron-par og to ensomme elektroner. Elektroner vil helst danne par, så et oxygen-atom kan "hugge" to elektroner fra omgivelserne. Så bliver det til en oxygen-ion med to elektroner i overskud - altså en negativt ladet ion.

Vi skriver det O2-

 

Et oxygen-atom kan fx "låne" to elektroner fra hydrogen til at danne par med.
Det er det, der sker i vand-molekylet til højre.

 

Ion-bindinger og salt-krystaller

Atom nr. 11 er natrium, Na, med 11 protoner, 12 neutroner og 11 elektroner.

Ligesom i litium-atomet er der en enkelt elektron i yderste skal, så Na-atomet bliver let til en Na-ion, Na+.

 

Atom nr. 17, klor, Cl, har 17 protoner, 18 neutroner og 17 eletroner.

I yderste skal er der 7 elektroner - den enlige elektron forsøger at indfange en elektron fra omgivelserne, så vi får en Cl-ion, Cl¯.

Cl-atomet kunne jo fx snuppe én elektron fra et Na-atom, hvis sådan en er i nærheden.

 

Det er det, der er sket i bordsalt.

Det består af krystaller opbygget af Na-ioner (røde på tegningen) og Cl-ioner (blå).

 

"De er sure", sagde ræven

Vi kan smage, når noget er surt - eller vi kan undersøge det med indikator-papir.

Sure ting indeholder syre.

På billedet er der fire sure sager: Eddike (indeholder eddike-syre), saltsyre, appelsin (indeholder citron-syre) og forrest på bordet ligger en bunke citronsyre - det ligner sukker, men smager bestemt ikke sådan!

I kemi siger vi, at en syre er et stof, der kan afgive en hydrogen-ion, H+ - og det kan både eddike-syre, citronsyre og saltsyre.

Det modsatte af en syre er ikke sukker men en base. Det er et stof som vil "stjæle" og optage en H+. Baser kikker vi på senere.

 

Nogle sure eksempler

Planter, dyr og mad indeholder ofte syrer - dem kalder vi organiske syrer.

Billedet her viser den syre, som myrer "tisser" - myresyre. Pilen peger på det H-atom, der kan frigives som H+.

 

Eddikesyre har bare en længere "hale", men det samme "hoved" som myresyre.

Eddikesyre - myresyre med en længere hale.

 

Alle organiske syrer har et hoved, der består af et C-atom,
to O-atomer og et H-atom (det, der kan slippe fri og blive til H+).

Citronsyre har endda hele tre "syre-hoveder"

 

Alle organiske syrer er svage syrer, fordi kun en lille del af H+-ioner spaltes fra syrehovedet.

Stærke syrer, som blandes med vand, fraspalter alle deres H+-ioner.

Det gælder fx svovlsyre, H2SO4 , den mest brugte af alle syrer.

I vand sker der følgende med svovlsyre:

H2SO4 2H+ + SO42-

 

Svovlsyre bruges i bil-batterier og til mange ting i den tekniske og kemiske industri.

Saltsyre, HCl, er en anden , meget brugt, stærk syre.

I vand sker dette:

HCl H+ + Cl¯

Salpetersyre, HNO3, bruges bl.a. i landbruget til at rense rørledninger i malkeanlæg. Det er også en stærk syre, der "falder fra hinanden" i vand:

HNO3 H+ + NO3¯

 

En luftbase

Der er en luftart, der hedder ammoniak. Det er den, landmænd af og til bruger som gødning på markerne - og den du kan lugte, når du åbner en flaske "salmiakspiritus".

Den kemiske formel er NH3 , og den har en ubændig trang til at tiltrække H+-ioner:

NH3 + H+ NH4+

Når den vil det, så er ammoniak naturligvis en stærk base!

 

En anden kendt og meget stærk base er natrium-hydroxid, NaOH. Det bruges bl.a. som afløbsrens. På billedet i flydende form (opløst i vand), men oftest i form af store perler, man kommer i afløbet.

Når NaOH kommer i vand, sker dette:

NaOH Na+ + OH¯

Det er OH¯, der udgør basen, for den vi forsøg at tiltrække en H+ og danne HOH (= H2O)

 

Blanding af en syre og en base
(neutralisering)

Opløst i vand ser saltsyre sådan ud:

H+ + Cl¯

- og natrium-hydroxid sådan:

Na+ + OH¯

Lad os se, hvad der kommer ud af at blande syre og base sammen:

 

Hvis vi blander lige mængder af de to stoffer får vi disse ioner i opløsningen:

H+ + Cl¯ + Na+ + OH¯

H+ og OH¯ - altså syre- og base-delen - går sammen og danner H2O og tilbage er Na+ + Cl¯ . Det er simpelthen bordsalt opløst i vand.

Syre og base ophæver hinandens virkning - neutraliserer hinanden, og der kommer et salt ud af det.

Hvis vi damper vandet væk, får vi rent og skært salt - NaCl

På billedet har vi en flaske saltsyre (hvid) og en flaske ammoniakvand. Både syre og base damper meget, så ude i luften dannes salt således:

NH4++ OH¯ + H+ + Cl¯ H2O + NH4+ + Cl¯

Det salt, der dannes her (NH4+ + Cl¯) ligner hvid røg og hedder salmiak - det, du kender fra salmiak-lakrids.

I to tilfælde har vi nu set, hvordan en blanding af stærke og farlige stoffer giver et spiseligt produkt!

 

Salte består af elektriske partikler

Salt består af ioner, altså elektriske partikler.

Hvis vi kan få saltets ioner til at være frit-bevægelige, må det kunne lede strøm.

På billedet til venstre smelter vi noget bordsalt -så går strømmen igennem. Na+ går over til minus-elektroden, får en elektron og bliver til Na (et spændende metal). Cl¯ går over til plus-elektroden, afgiver en elektron og bliver til Cl-atomer. De parrer sig og danner Cl2 - giftig klorgas.

Til højre har vi opløst saltet i vand - så leder det også strøm.

"Saltvand"

 

 

Med dette apparat kan vi adskille det, der dannes ved de to elektroder.
Ved minus dannes Na, der går i forbindelse med vand:

Na + H2O Na+ + H + OH¯.

Ved plus dannes Cl2, som for en stor del opløses i vandet, der bliver grumset grønt.

Saltkrystal

 

Atomernes periodiske system

Som nævnt findes der ca. 90 grundstoffer i naturen, og der er system i opbygningen af deres atomer:

Atom nr. 1 har 1 proton i kernen og 1 elektron udenom.
Atom nr. 2 har 2 protoner i kernen og 2 elektroner udenom.
......
......
Atom nr. 94 har 94 protoner i kernen og 94 elektroner udenom.

De røde atomer er de vigtigste i begynder-sammenhæng.

En vandret række kaldes en periode - stofferne har sammen antal elektron-skaller hen gennem en periode.

En søjle kaldes en gruppe - stofferne i en gruppe er i familie med hinanden.

Stofferne i gruppe 1 har 1 elektron i yderste skal
Stofferne i gruppe 2 har 2 elektroner i yderste skal
....
....
Stofferne i gruppe 8 har 8 elektroner i yderste skal
  Eksempler:

Kulstof, C - gruppe 4 - 4 elektroner i yderste skal
Natrium, Na - gruppe 1 - 1 elektron i yderste skal

 

Gode billeder af de vigtigste atomer

Prikformler og stregformler

 

I kemi er vi kun interesseret i elektronerne i den yderste skal - dem indenfor orker vi ikke at tegne på vore billeder.

Atomerne i gruppe 1 har én elektron i yderste skal. Dem kan vi vise som på billedet.

Her er "prik-formler" for et atom for hver af grupperne 2-7.

Kun de atomer, der er "enlige" betyder noget for stoffets kemiske egenskaber - de vil nemlig gerne danne par.

Her har fire H-atomer slået sig sammen med et C-atom. Det er der blevet fire tilfredse par ud af! C-atomet kan også binde sig til fire Cl-atomer

Er vi rigtig dovne, tegner vi bare en streg i stedet for to prikker: