Oppsummering. Kjemidelen

Transkript

1 Oppsummering Kjemidelen

2 Atomets oppbygging Niels Bohr Elektroner: Partikler som kretser rundt kjernen. Ladning -1. Mindre masse (1836 ganger) enn protoner og nøytroner. Protoner: Partikler som finnes i kjernen. Ladning +1. Masse ca. 1u. Nøytroner: Partikler som finnes i kjernen. Elektrisk nøytral. Masse ca. 1u.

3 Protoner Elementærpartikler Positiv ladning, finnes i kjernen Nøytroner Ingen ladning, finnes i kjernen Elektroner Negativ ladning, går i baner i stor avstand fra kjernen Atomnummer Antall protoner i kjernen Massetall Summen av antall protoner og nøytroner i kjernen

4 Elektronskall Elektronene inngår i syv hovedskall vert hovedskall har plass til underskall vert underskall har plass til orbitaler ver orbital har plass til 2 elektroner med motsatt spinn Til hver orbital svarer en helt bestemt energi for elektronet Atomets egenskaper er knyttet til elektronskallene

5 Periodesystemet Periodesystemet deler grunnstoffene i 8 hovedgrupper, 8 sidegrupper og to grupper med skjeldne jordmetaller Plassen i periodesystemet bestemmes av protontallet Valens forteller hvor mange elektroner atomet kan dele med andre atomer i en kjemisk binding Valenselektroner har mest betydning for de kjemiske egenskapene Edelgassene har full oktett, 8 valenselektroner, valens 0 og danner ikke forbindelser Elektronegativiteten øker med økende gruppenummer og avtakende periodenummer

6 Periodesystemet

7 Bindingstyper - A Sterke bindinger i krystaller, molekyler og metaller. Ionebinding Stoffene er bygget opp av ioner og holdes sammen av elektrostatiske krefter Kovalent binding Atomene bindes sammen til molekyler ved at atomene deler ett eller flere elektronpar Metallbinding Metallene er bygd opp av positive metallioner holdt sammen av fritt bevegelige elektroner

8 Bindingstyper - B Svake bindinger mellom molekyler. Van der Waalske bindinger Rene molekylbindinger Sentrene for positiv og negativ ladning er sammenfallende Dipol-dipol-bindinger Sentrene for positiv og negativ ladning er ikke sammenfallende og molekylene blir polare ydrogenbindinger Sterke dipol-dipol-bindinger der -atomet er knyttet til et F-, O-, eller N-atom

9 Litt av hvert Oktettregelen Et fullt ytre skall (2 + 6 = 8 elektroner) gir stor stabilitet. Elektronegativitet er evnen et atom i et molekyl har til å trekke til seg delte elektroner. Differansen i elektronegativitet mellom to atomer som kan danne binding gir indikasjon om type binding ydrogenbinding er binding mellom molekyler der hydrogen er bundet til et elektronegativt atom som f.eks. Oksygen, Nitrogen eller Fluor

10 Mol Et mol er stoffmengden som inneholder like mange formelenheter som det er atomer i gram av atomet C-12 Et mol inneholder 6,022*10 23 enheter 1 mol veier like mye som formelvekten Vekt (g)/ Formelvekt (g/mol) = antall mol Vekt = antall mol * Formelvekt Formelvekt = Vekt / antall mol Like antall mol inneholde samme antall Atomer, molekyler, ioner, formelenheter.

11 Kjemisk reaksjonsligning Angir hvilke stoffer som reagerer, og hvilke som blir dannet Reaktanter reaksjon produkter Fe(s) + S(s) FeS(s) C O 2 CO O En balansert reaksjonsligning er der det er like mange atomer av hvert slag før og etter at reaksjonen har funnet stad.

12 Molaritet og fortynning I kjemien angis konsentrasjoner som molaritet Molaritet Angir hvor mange mol av et stoff som finnes i 1 liter løsning, altså mol/liter Benevnelse M 1M betyr at det er 1 mol pr. liter løsning. 1M = 1 mol/liter Fortynning Konsentrasjonen til en løsning forandres ved å tilsette mer løsemiddel. Totalmengden av stoff som befinner seg i løsningen før og etter tilsetningen er konstant

13 Molberegningsmetoden Gjør om det oppgitte antall gram til mol Ligningen viser hvor mange mol som går med eller blir dannet av stoffet det spørres etter Dette antallet mol gjøres om til gram eller den mengdeenheten det spørres etter Metoden er starten på å lage algoritmer som kan brukes i beregninger

14 Støkiometriske beregninger Masseberegninger på grunnlag av balanserte reaksjonsligninger Balansert reaksjonsligning i mol C O 2 = 3 CO O Gjør det mulig å beregne antall molekyler, gram, prosent, mengder som inngår i reaksjonen Eksoterme reaksjoner avgir energi Endoterme reaksjoner binder energi

15 va navnene forteller om Uorganiske stoffer: Inneholder ikke karbon, Unntak: CO, CO 2 og 2 CO 3 og saltene til disse Systematiske navn: Navneregler som er laget av en internasjonal komité (IUPAC). Reglene forteller hvilke og hvor mange atomer av hver type som et stoff inneholder. evdnavn/trivialnavn Navn fra tiden før det fantes navneregler. Mange brukes fremdeles da de er kjente og innarbeidet Eksempel. NO 3 : evdnavn/trivialnavn Salpetersyre Systematisk navn - Nitrogensyre

16 Løsninger En løsning er en homogen blanding av to eller flere stoffer Løsemiddelet er komponenten det er mest av, som oftest vann Løst stoff er stoffet som løses i løsemiddelet En løsning kan være et fast stoff eller gass Luft er oksygen og nitrogen Brus er vann, smaksstoffer og karbondioksid Bronse er kobber og tinn Amalgam er kvikksølv og sølv

17 Gasser og Normaltilstanden Faste stoffer har både form og volum Væsker har ikke form, men volum Gasser har verken form eller volum STP - Standard Temperature and Pressure: Trykk = 1 atmosfære (atm.) Temperatur = 0 C (273,15K) NTP - Normal Temperature and Pressure: Trykk = 1 atmosfære Temperatur = 25 C (298K) NSTP - New Standard Temperature and Pressure: Trykk = 1 bar Temperature = 25 C (298K) Det beste er å alltid oppgi trykk og temperatur til en gass for å unngå misforståelser

18 Avogadros lov sier at: Like volum av forskjellige gasser inneholder like mange molekyler ved samme trykk og temperatur Tettheten av gasser ved gitt trykk og temperatur øker proporsjonalt med formelvekten

19 Ideelle gasser Følger ligningen pv = nrt der p = trykk = atmosfære (atm) V = volum = liter n = antall mol R = gasskonstant = 0,08206 (liter x atm)/(mol x K) T = temperatur i kelvin (K) Volumet for 1 mol med ideell gass (ved 1 atm og 0 C) er da gitt ved l atm 1mol 0, ,15K V nrt = = mol K = 22, l p 1atm 414

20 Kjemisk likevekt Vanligvis kan kjemiske reaksjoner kan gå begge veier, de er reversible Etter en viss tid innstiller seg likevekt. Da blir det dannet like mange mol produkter pr. tidsenhet som det blir spaltet. Deretter blir det ingen indring i konsentrasjonene til stoffene som inngår i reaksjonen. 2 O (g) + CO (g) 2 (g) + CO 2 Konsentrasjon [CO 2 ]/[ 2 ] [CO]/[ 2 O] Likevekt Tid

21 Guldberg-Waages lov - massevirkningsloven For en generell reversibel reaksjon aa + bb cc+ dd er likevektskonstanten K definert slik:

22 Betydningen av K ved likevekt K 1 Omtrent like mye produkter som reaktanter K>>1 Likevekten er forskjøvet mot høyre, bare produkter K<<1 Likevekten er forskjøvet mot venstre, bare reaktanter

23 Katalysator En katalysator er et stoff som får en reaksjon til å gå hurtigere uten at stoffet selv blir forbrukt. Den tilbyr en reaksjonsvei med lavere energi. Likevekten blir ikke påvirket, den bare innstiller seg raskere uten katalysator med katalysator Energi Utgangsstoff Produkter

24 Le Châteliers prinsipp Når et system i dynamisk likevekt blir utsatt for en forandring, vil det skje en reaksjon i den retningen som virker mot forandringen Typer av forandringer Konsentrasjonsendring Temperaturendring Trykkendring

25 Syre- base- definisjoner Brønsted, En syre er et stoff som kan spalte av protoner B + + B - En base er et stoff som kan ta opp protoner B B Protolysereaksjoner er reaksjoner der protoner blir tatt opp eller avgitt. I en syre-base-reaksjon blir protoner avgitt fra en syren og tatt opp av en basen I vann gir syrene oksoniumionioner, 3 O + og basene hydroksidioner O -

26 Sterke og svake syrer og baser Sterke syrer har stor evne til å spalte av protoner Svake syrer har liten evne til å spalte av protoner Sterke baser har stor evne til å ta opp protoner Svake syrer har liten evne til ta opp protoner

27 p - begrepet p definert ved - p = -lg [ 3 O + ] o p < 7,0 løsningen er sur o p = 7,0 løsningen er nøytral o p > 7,0 løsningen er basisk Bruker notasjonen p for å markere den negative logaritmen også i andre sammenhenger, f.eks. po = -lg [O - ] og pk = -lg K For vann gjelder - K w = [ 3 O + ] [O - ] = o -lg [3O+] + (-lg [O-]) = +14 o p + po = 14

28 Litt av hvert En syre nøytraliseres ved å tilsette en base En base nøytraliseres ved å tilsette en syre En løsning blir nøytral når vi blander like mange mol 3 O + og O - -ioner. Reaksjonen som skjer: 3 O + +O - = 2 2 O En indikator er et stoff som har forskjellig farge i sterkt sur og sterkt basisk løsning. I omslagsområdet har den en mellomfarge En bufferløsning karakteriseres ved at p endres lite når vi tilsetter moderate mengder sterk syre eller sterk base. En bufferløsning lages ved å blande en svak syre med den korresponderende basen.

29 Reaksjoner i vann I vann er: Noen stoffer fullstendig løslige (etanol) Noen stoffer lett løslige (sukker) Noen stoffer tungt løslige (Bariumsulfat) Når en ikke får løst mer stoff har vi en mettet løsning. Løseligheten øker som oftest med økende temperatur Polare løsemidler (vann) løser polare stoffer best Upolare løsemidler (olje) løser upolare stoffer best Løselighetsproduktet = K sp for en tungt løslig forbindelse er gitt ved: K sp = [Ba 2+ ] [SO 4 2- ]

30 Oksidasjon og reduksjon RedOX Når et element blir oksidert, øker oksidasjonstallet, elektroner blir avgitt Fe Fe e - Når et element blir redusert, avtar oksidasjonstallet, elektroner blir tatt opp Fe e - Fe For at et stoff skal bli oksidert må et annet bli redusert. Begger reaksjoner skjer samtidig i en redoksreaksjon

31 RedOx - reaksjoner Ett stoff avgir elektroner samtidig som et annet stoff tar opp elektroner Det foregår alltid en oksidasjon og reduksjon samtidig. Det kalles for en redoks-reaksjon Oksidasjonsmiddel: Et stoff som oksiderer et annet stoff. Stoffet blir selv redusert Reduksjonsmiddel: Et stoff som reduserer et annet stoff. Stoffet blir selv oksidert Oksidasjonstall er til stor hjelp når vi skal balansere redox-ligninger

32 Galvaniske celler I galvaniske celler blir kjemisk energi omformet til elektrisk energi Ved den ene elektroden skjer en reaksjon som avgir elektroner, oksidasjon. Elektroden er anode Zn 2e - Zn ++ (aq) Anjon, Negativt ladet. Vandrer mot anoden Ved den andre elektroden skjer en reaksjon som tar opp elektroner, reduksjon. Elektroden er katode Cu ++ (aq) + 2e - Cu Katjon, Positivt ladet. Vandrer mot katoden

33 Galvanisk celle Daniells element Tekstnotasjon: Zn(s) Zn 2+ (1,0M) Cu 2+ (1,0M) Cu(s) Enkle linjer ( ) angir fasegrenser Dobbel linje ( ) skiller halvcellene Oksidasjon Anode e - Voltmeter som måler cellepotensialet 1.10 e - + Reduksjon Katode Elektrode: er: Zn(s) Salt- Zn 2+ SO 2-4 bro SO 2-4 Cu 2+ Elektrode: er: Cu(s) Anode: Zn Zn e - alvcelle Katode: Cu e - Cu alvcelle

34 Forklaringen To halvreaksjoner i en RedOx-reaksjon utgjør en reaksjon Ved å skille halvreaksjonene og forbinde dem med en ledning må elektronene til å gå gjennom ledningen Da har vi en strømkilde Galvanisk celle Elektrokjemisk celle Resultat Kjemisk energi omdannes/konverteres til elektrisk energi

35 RedOx-potensialer Når et metall står i en løsning av metallets ioner, oppstår en potensialforskjell mellom metallet og løsningen Me Me n+ (aq) + ne - Me n+ (aq) + ne - Me Dette potensialet måles i forhold til standard hydrogenelektrode (SE) som er gitt potensialet 0,000 volt. 2 + (aq, 1 M) + 2e - 2 (g, 1 atm) = 0,000V

36 Spenningsrekka Eksperimenter viser at + tar opp elektroner lettere en Zn ++ Zn avgir lettere elektroner til Zn-staven enn hydrogenmolekyler avgir elektroner til Pt-blikket Cu ++ har større evne til å oppta elektroner enn + ydrogenmolekyler avgir lettere elektroner enn Cu Økende standard reduksjonspotensial viser en økende evne for ionet til å ta opp elektroner Tabellen som viser sammenhengen mellom stoffenes reduksjonspotensial kalles spenningerekka

37 Spenningsrekka F 2 (g) + 2 e - 2 F - (aq) 2,87 Au 3+ (aq) + 3 e - Au (s) 1,50 Cl 2 (g) + 2 e - 2 Cl - (aq) 1,36 Ag + (aq) + e - Ag (s) 0,80 Fe 3+ (aq) + e - Fe 2+ (aq) 0,77 Cu + (aq) + e - Cu (s) 0,52 Cu 2+ (aq) + 2e - Cu (s) 0, (aq) + 2 e- 2 (g) 0 Fe 3+ (aq) + 3 e - Fe (s) - 0,04 Pb 2+ (aq) + 2 e - Pb (s) - 0,13 Sn 2+ (aq) + 2 e - Sn (s) - 0,14 Ni 2+ (aq) + 2 e - Ni (s) - 0,26 Fe 2+ (aq) + 2e - Fe (s) - 0,45 Zn 2+ (aq) + 2 e - Zn (s) - 0,76 Al 3+ (aq) + 3 e - Al (s) - 1,66 Mg 2+ (aq) + 2 e - Mg (s) - 2,37 Na + (aq) + e - Na (s) - 2,71 Li + (aq) + e - Li (s) - 3,04

38 Brenselceller I en brenselcelle blir kjemisk energi omdannet direkte til elektrisk energi med høy virkningsgrad (60 75 %) ydrogen til vann O O Ved plusspolen O O + 4e - 4O - Ved minuspolen O - -4e O Totalreaksjon O O Spenning 1,23 V

39 Korrosjon Når et metall korroderer vil metallatomer avgi elektroner og danne ioner i de anodiske områdene. Korrosjon er angrep på metallet forårsaket av omgivelsene. Anodereaksjonen Me Me n+ + ne - Metallet løses, oksidasjon Katodereaksjonene e - 2 i sur løsning O O + 4e - 4O - Katode- og anodeområde må være i kontakt Korrosjon øker med økende mengde ioner, NaCl

40 Korrosjon Korrosjon av en metallgjenstand kan stoppes eller reduseres sterkt på flere måter: Ved å koble gjenstanden til et metall som er mer uedelt. Katodisk beskyttelse Tilføre gjenstanden en ytre strøm slik at materialets potensial forskyves til et passivt område

41 Katodisk beskyttelse Reduksjon: O 2 (g) (aq) + 4e O(l) Jern-rør e - e - Isolert leder Oksidasjon: Mg(s) Mg 2+ (aq) + 2e - Magnesium

42 Karbonets egenart organisk kjemi Ingen grunnstoff har samme evne til å danne så mange stabile forbindelser som karbon Forbindelsene kan være Rettlinjede Forgrenede Ringer a dobbelte eller triple bindinger Unntak: Karbonsyre, blåsyre og saltene til disse syrene samt karbonoksidene tilhører uorganisk kjemi.

43 Organiske forbindelser

44 Syntetiske organiske forbindelser

45 Formler Molekylformel, bruttoformel: Angir hvor mange og hvilke typer atomer som finnes i en forbindelse, men ikke hvordan forbindelsen er bygd opp/satt sammen. Strukturformel: Tegning av forbindelsen som viser hvordan den er bygd opp / satt sammen. Strukturisomeri: Forbindelser med samme bruttoformel men hvor atomene er bundet sammen på forskjellige måter. Antall isomere former øker med antall C- atomer.

46 Etanol C 2 5 O Strukturformel Stereoformel C C O

47 ydrokarboner

48 Butan C 4 10 n-butan C 4 10 normal butan. n betyr at det er en rett kjede C C C C Isobutan C 4 10 Antall isomere former øker med antall C- atomer. C C C C 3

49 Navnesetting Navnsettingsreglene er laget av IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry Finner lengste kjeden og teller antall C- atomer. Alkan med samme antall C- atomer vil danne stammen for navnet

50 Navnesetting Må angi tilknyttede grupper, både posisjon og type. Vi starter med å nummerer stamme fra den enden som er nærmest en gruppe/forgrening : C C C C C C eksan C 3: C C C C C metylpentan C : C C C C C 2,2-dimetylbutan C 2: C C C C C metylpentan C : C C C C C 2,3-dimetylbutan

51 Ringforbindelser - Syklo C C C Syklopropan Syklopentan Syklobutan Sykloheksan

52 Alkener Forbindelser med en eller flere dobbelt-bindinger (se kapittel 2) Navnsetting: Navn på tilsvarende alkan (tell antall C-atomer i lengste kjede) men endelsen -an byttes ut med -en. etan eten pentan penten oktan okten Posisjon for dobbelt-binding: Nummerer C-atomene slik at start for dobbelt-binding får lavest mulig nummer. Angi dette i navnet. Generell formel for alkener med 1 dobbeltbinding: C n 2n Eten O + O O O eller O=O C C eller C C C C C C C C 2-eksen

53 Alkyner Forbindelser med en eller flere trippel-bindinger (se kapittel 2) Navnsetting: Navn på tilsvarende alkan (tell antall C-atomer i lengste kjede) men endelsen -an byttes ut med -yn. etan etyn pentan pentyn oktan oktyn Posisjon for dobbelt-binding: Nummerer C-atomene slik at start for trippel-binding får lavest mulig nummer. Angi dette i navnet. Generell formel for alkyner med 1 trippelbinding: C n 2n-2 Etyn N + N N N eller N N C C eller C C C C C C C C 2-eksyn

54 Aromatiske forbindelser Inneholder et konjugert system av dobbeltbindinger, dvs. enkelt- og dobbeltbindinger annenhver gang. Vannklar væske med karakteristisk lukt og kp.= 80 C. Svært brennbar, giftig og kreftfremkallende. Godt løsemiddel for upolare forbindelser og er råstoff for en rekke produkter. Mange miljøgifter er forbindelser bygdt opp av 1 eller flere bensen-ringer tilknyttet ulike funksjonelle grupper. Bensen: C 6 6 C C C C C C C C C C C C

55 Alkoholer Forbindelser med en eller flere O-grupper Enverdige alkoholer: Inneholder 1 O-gruppe. Navnsetting: Finner den lengste karbonkjeden som Ogruppen er knyttet til. Til navnet av hydrokarbonet legges endelsen -ol til. Posisjon av O-gruppe angis med lavest mulig nummer metan metanol, pentan pentanol, oktan oktanol Grupper som inneholder atomer av oksygen, nitrogen og svovel kalles for funksjonelle grupper. C 3 C O C C O C C C O 2-metyl-2-propanol

56 Flerverdige alkoholer: Inneholder flere O-grupper Navnsetting: Forbindelser med 2O-grupper får navnet endelsen diol, med 3 O-grupper blir endelsen triol. Kokepunkt og vannløselighet Alkoholer har høye kokepunkt pga. hydrogenbindinger δ - O δ + O C 3 -C 2 C 3 -C 2 1,2-etandiol (glykol) 1,2,3-propantriol (glyserol) C O C O C O C O C O

57 Aldehyder og ketoner Aldehyder og ketoner inneholder samme funksjonelle gruppe som kalles karbonylgruppe I aldehyder er carbonet en endegruppe. Formel: RCO Navnsetting: Bruker navn på tilsvarende alkan (tell C-atomer i kjeden hvor aldehydgruppen er) og legger til endelsen -al. Begynn nummerering i aldehydgruppen. metan metanal pentan pentanal oktan oktanal C O C O C 3 C 2 C 2 CO C 3 2-metylbutanal

58 Ketoner I et keton erkarbonylgruppen, men bundet til 2 andre C- atomer, R 1 og R 2. R 1 og R 2 kan være like eller ulike alkylgrupper. Navnsetting: Bruker navn på tilsvarende alkan og legger til endelsen -on. Posisjon til gruppen angis med nummer. Nummer slik at karbonylgrupen (keto-gruppen) får lavest mulig nummer. metan metanon, pentan pentanon, oktan oktanon 2-propanon (aceton): C Fargeløs væske med karakteristisk lukt. 3 Benyttes bl.a. som flekkfjerner. C O Lavt kokepunkt (56 C) meget brannfarlig. C 3

59 Karboksylsyre Karboksylsyregruppe, COO O Generell formel: RCOO C O Navnsetting: Bruker navn på tilsvarende alkan med endelsen -syre. Start nummerering med C-atomet i -COO-gruppen. Karboksylsyrer er svake syrer. Danner salter der RCOO - -ionet inngår. RCOO + 2 O RCOO O + øye kokepunkt pga. hydrogenbindinger C 2 C C 2 COO 3-butensyre

60 Aminer Forbindelser med den funksjonelle gruppen - N 3 der ett eller flere av -atomene er byttet ut med en eller flere hydrokarbongrupper Navnsetting Bruker navn på tilsvarende alkylgruppe og legger til endelsen -amin. Primært, sekundært og tertiært amin - Metylamin R 1 N R 1 N R 2 R 2 R 1 N R 3 C 3 N

61 Aminosyrer og proteiner Aminosyrer kan slå seg sammen og danne lange kjeder som vi kaller proteiner. Proteiner er vanligvis bygd opp av 20 aminosyrer hvor R-gruppen varierer. N 2 R C C O O

62 Jordolje og naturgass Biologisk nedbrutt materiale som er presset sammen under høyt trykk og temperatur Råolje er en blanding av alkaner, sykloalkaner og aromatiske forbindelser Ved destillasjon blir råoljen delt i mange fraksjoner, avhengig av kokepunktet C 1 -C 4, Gassfraksjon C 5 -C 9, Bensinfraksjon > C 11, Parafin, jetdrivstoff, diesel og fyringsolje

63 Raffinering av råolje

64 Metanol/flytende drivstoff fra kull Fra naturgass: C 4 + 1/2O 2 CO CO (g) +2 2 (g) C 3 O (l) Fra kull: C (s) + 2 O (g) CO (g)+ 2 (g) Fisher-Tropsch-prosessen Fremstilling av bensin fra CO n CO (g) + (2n+1) 2 (g) C n 2n+2 + n 2 O n CO (g) + (2n) 2 (g) C n 2n + n 2 O I II III

65 Plast Plast er et polymert materiale som består av lange karbonkjeder. Kjeden kan være lineære, forgrenede eller knyttet sammen i et mer eller mindre tettmasket nettverk. eks. Polyet(yl)en n C C C C C C Eten Polyeten