kemi-ht-15-sammanfattning

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.
• ZnZn2+ + 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: ZnZn2+ + 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 oädlare 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.
• Syrgas oxideras och vätgas 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 elektroden.
• 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• Olika antal elektroner vi måste balansera.
4Al3+ + 12 e- 4Al(s) och 6O2- 3O2 + 12 e-
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.