2 Stoffenes byggesteiner 2.7 Redoksreaksjoner er reaksjoner med elektronovergang 2.7.1 a) Et stoff som gir fra seg elektroner blir oksidert, og et stoff som tar opp elektroner blir redusert. b) I en redoksreaksjon blir noen stoffer (et stoff) oksidert samtidig som andre stoffer (et annet stoff) blir redusert. 2.7.2 Se side 51 og 52 i grunnboka. 2.7.3 a), b), c) og d): Se side 52 i grunnboka. 2.7.4 Ved elektrolyse av en blanding som inneholder Al 2 O 3 kan metallet aluminium framstilles ved elektrolyse. Al 3+ + 3e Al (metallisk aluminium) 2.7.5 a) Kopper blir redusert fra Cu 2+ til Cu, og sink blir oksidert fra Zn til Zn 2+. b) Zn - 2e Zn 2+ og Cu 2+ + 2e Cu. Samlet reaksjon: Zn + Cu 2+ Zn 2+ + Cu 2.7.6 a) I denne reaksjonen blir metallet natrium (Na) oksidert til Na +. NaCl er et salt, en ioneforbindelse mellom Na + -ioner og Cl -ioner. Klor blir redusert fra Cl til Cl. c) 2Na + Cl 2 2NaCl 2.8 Fellingsreaksjoner 2.8.1 a) Et ion er et ladd atom eller en ladd atomgruppe. b) Se også side 46 og 54 i grunnboka. Eksempler på ioner som er ladde atomer, er: Metallioner som er ioner med positiv ladning: Na + (natriumion), Mg 2+ (magnesiumion), Al 3+ (aluminiumion), K + (kaliumion). Ikke-metallioner (oftest med negativ ladning) slik som: O 2 (oksidion), F (fluoridion), S 2 (sulfidion), Cl (kloridion), Br bromidion) og I (iodidion). Eksempler på sammensatte ioner (ladde atomgrupper) er: NO 3 (nitrat), CO 3 2 (karbonation), HCO 3 (hydrogenkarbonation), SO 4 2 (sulfation) og PO 4 3 (fosfation). c) Et salt en en kjemisk forbindelse som er systematisk bygd opp av metallioner og ikke-metallioner. Eksempler: NaCl (natriumklorid), Al 2 O 3 (aluminiumoksid), CaCO 3 (kalsiumkarbonat), KF (kaliumfluorid) og NaNO 3 (natriumnitrat). 2.8.2 Se tabellen i margen på side 53 i grunnboka. 2.8.3 Svaret finner du i margen nederst på side 53 i grunnboka. 2.8.4 Hos lettløselige salter blir ionebindingene brutt, og vi får dannet ioner i vannløsningen. Dersom en blanding av lettløselige salter danner nye
ionekombinasjoner som gir tungtløselige eller uløselige salter, vil disse bli utfelt. Både sølvnitrat (AgNO 3 ) og natriumklorid (NaCl) er lettløselige salter, og ionebindingene i saltkrystallene blir brutt når saltene blir løst i vann. Blander vi en løsning av sølvnitrat og natriumklorid, vil sølvioner og kloridioner bindes sammen, og sølvklorid blir utfelt. Ag + (aq) + NO 3 (aq) + Na + (aq) + Cl (aq) AgCl (s) + Na + (aq) + NO 3 (aq) 2.8.5 Pb 2+ er blyion og CO 3 2 er karbonation. I en vannløsning vil disse ionene bindes sammen til PbCO 3 (blykarbonat), som er et uløselig salt. Det faste stoffet blykarbonatet vil derfor bli felt ut og etter hvert synke til bunns. 2.8.6 a) Svaret finner du i teksten over løselighetstabellen på side 282. b) Bruk løselighetstabellen på side 282 til å kombinere samme antall ladninger av positive og negative ioner når du skriver formelen på salter. Her er noen eksempler: Lettløselige salter: AgNO 3 (sølvnitrat), NaCl (natriumklorid), BaCl 2 (bariumklorid), K 2 CO 3 (kaliumkarbonat), CuSO 4 (koppersulfat). Tungtløselige salter: PbCl 2 (blyklorid), Ag 2 SO 4 (sølvsulfat), BaS (bariumsulfid). Uløselige salter: AgCl (sølvklorid), BaCO 3 (bariumkarbonat), PbSO 4 (blysulfat), ZnS (sinksulfid). 2.8.7 a) Ingen metallioner kan danne salter med nitrater som blir utfelt. b) Mulige metallioner som kan danne salter med fosfater som blir utfelt: Ag +, Mg 2+, Ca 2+, Ba 2+, Co 2+, Cu 2+, Zn 2+, Pb 2+, Fe 2+, Fe 3+ og Al 3+. En bruker vanligvis jernioner til å felle ut fosfater ved kjemisk rensing. 2.9 Forbrenning av organiske stoffer 2.9.1 Hydrokarboner inneholder hydrogen og karbon. Når hydrogenet reagerer med oksygen fra lufta, dannes det vann. Se også side 55. 2.10 Vann som ressurs 2.10.1 Vann er livsnødvendig for alle levende organismer. Ved hjelp av lysenergi, CO 2 og vann lager plantene glukose i fotosyntesen. Reaksjonslikning: CO 2 + H 2 O + lysenergi C 6 H 12 O 6 + O 2 Oksygengassen er nødvendig for celleåndingen både hos dyr og planter. Vann inngår i spaltingsreaksjonene av bl.a. fett, karbohydrater og proteiner i fordøyelsen hos dyr. Vann er også et viktig transportmiddel (bl.a. i blod, i ledningsstrenger hos planter, i celler hos dyr og planter) for mange stoffer i alle organismer. Vann er et universalløsemiddel og blir derfor brukt til vask av hus og klær og i produksjonen i bedrifter. Vann holder godt på varmeenergien, og varmt vann kan derfor brukes til å transportere energi fra energiverk til bolighus og til store bygninger. Det varme vannet fraktes i isolerte rør, og denne energien kalles ofte fjernvarme.
2.10.2 Nedbør: 110 000 000 000 000 000 liter vann hvert år. Nedbøren utgjør 50 000 liter vann per innbygger per døgn. 2.10.3 Vann har høy varmekapasitet, dvs. at vannet har stor evne til å ta opp energi i form av varme. Dette gjør at kystområder får mindre temperatursvingninger, både gjennom døgnet og gjennom året, enn innlandsområder. Vi snakker da gjerne om kystklima (maritimt klima) og innlandsklima (kontinentalt klima). Havet magasinerer solvarme om dagen/sommeren og gir den fra seg igjen om natten/vinteren. Det samme kan selvfølgelig skje i nærheten av ei elv eller et innlandsvann. Vann i lufta påvirker også klimaet på samme måte. Fuktig luft eller nedbør vil føre til lavere temperatur, og når fuktig luft flytter på seg, strømmer det store mengder varmeenergi fra ett område til et annet. Når fuktig luft presses opp, for eksempel ved at den møter et fjellområde, vil lufta bli avkjølt, dampen kondenseres, og vi får nedbør. Når lufta kommer over på andre siden av fjellet, er den tørr, og når den synker ned, blir den oppvarmet.,da får vi varm og tørr fønvind. 2.10.4 Noen eksempler: Matvareindustri som slakterier, meierier og fiskeforedling kan forurense vannet dersom vaskevannet som blir brukt i prosessene, slippes ut i naturen urenset. Dette vil gi næring til algevekst og annen plantevekst, og vassdragene kan gro igjen. Det kan også føre til fiskedød, siden algene som formerer seg, før eller senere vil dø, synke til bunns, brytes ned og gi oksygenmangel. Under produksjon av tremasse, cellulose og papir brukes det store mengder vann. Urenset vann fra papirfabrikkene inneholder blekemidler, fargestoffer, syrer og baser. Utslipp av slikt vann vil kunne skade alt som lever i vannet. 2.10.5 Laks og ørret gyter i ferskvann, og yngelen vokser opp i ferskvann. I oppdrett skjer dette under kontrollerte forhold i store anlegg: klekkerier og smoltanlegg. For å unngå smitte av bakterier og/eller sopp og for å sørge for at fisken får rikelig med oksygen, må rent ferskvann hele tida strømme gjennom anleggene. 2.10.6 a) Ifølge statistikken for år 2000 er vannforbruket i Norge ca. 500 liter per person per dag, dvs. nesten 200 000 liter per år. b) Halvparten av vannet brukes i husholdningene, bl.a. til klesvask, husvask, kroppsvask og matlaging. Resten brukes i industrien, til rengjøring, til nedkjøling, som løsemiddel, som transportmiddel og som nødvendig forbindelse i kjemiske reaksjoner. c) I forbindelse med tørkeperioder kan det godt bli vannmangel også her til lands. Dessuten er det store omkostninger forbundet med utbygging av offentlige vannanlegg. Dersom en innsjø eller et vassdrag skal brukes som drikkevann, vil det begrense annen bruk
av vannet. Det vil som oftest være nødvendig å innføre forbud mot bading og fisking. d) I noen kommuner er det innført en literavgift på vannbruk. Det vil for de fleste føre til sparing. Dessuten kan hver enkelt av oss passe på forbruket vårt. Vi kan for eksempel bruke sparedusj, ikke dusje for lenge, ikke la vann stå og renne eller vanne hager og plener unødvendig. Visste du at dersom du vanner plenen i «tide og utide», så vil den utvikle dårligere røtter og derfor tåle tørke dårligere? 2.10.7 Tenk på hva vi bruker vann til. Se på svarene på oppgavene ovenfor. For den enkelte av oss måtte forbruket reduseres sterkt. Det betyr mindre dusjing, hagevanning og vasking. På lengre sikt er det vel sannsynlig at kommunene måtte bruke mye penger på å bygge ut vannforsyningsanleggene. Flere vann måtte gjøres til drikkevann, og det betyr større restriksjoner på annen bruk av disse vannene, som bade- og fiskeforbud. 2.11 Vann et godt løsemiddel 2.11.1 Vann kan kalles universalløsemiddelet, siden det løser de aller fleste naturlige forbindelser. Det fins vel ikke andre kjemiske forbindelser som kan løse flere andre forbindelser enn det vann kan. Dette kan du lese mer om på side 57 og 58. 2.11.2 Slike utslippskilder kan være avløpsvann fra noen husholdninger, industribedrifter og jordbruk. Det dannes utslipp fra forbrenningsreaksjoner, bl.a. fra transport (bil, tog, fly, båt) og oppvarming. Dette gir oksider (NO x, SO x ) som fører til sur nedbør. En annen kilde er sprøyting av bær- og frukttrær, korn m.v. mot for eksempel skadeinsekter og sopp. 2.11.3 Polare molekyler består av atomer som har ulik evne til å trekke til seg elektroner. Slike molekyler kan derfor få en ladningsforskyvning slik at molekylet får en negativt og en positivt ladd side. Denne ladningen er mindre enn ladningen til et elektron eller proton. 2.11.4 a) Se først svaret i oppgave 2.11.3. I vannmolekylet, H 2 O, har oksygenatomet større evne til å tiltrekke seg elektroner enn hydrogenatomene. Oksygensiden av vannmolekylet får derfor en negativt ladd side og H-atomsiden en tilsvarende positiv ladning. b) Vannmolekylet er en dipol. Holder vi en negativt ladd gjenstand mot en tynn vannstråle, vil vannmolekylene orientere seg med den positive delen mot gjenstanden. Det virker elektriske tiltrekningskrefter mellom de positive og negative ladningene, og vannstrålen blir avbøyd. 2.11.5 a) og b) Se i grunnboka side 58. c) Dersom vi damper inn løsningen, vil Na + - og Cl - ionene bindes i ionebinding til det faste stoffet (saltet) NaCl som blir utfelt.
2.11.6 a) Lettløselige salter som NaCl, CuCl 2, KCl (generelt: kjemiske forbindelser mellom ioner av grunnstoffer i hovedgruppe I eller II og VII), salter i kunstgjødsel. Dessuten bl. a. sukker og gasser som CO 2, NO 2, NO, N 2 O, SO 2, SO 3, NH 3. 2.11.7 Se bl. a. i grunnboka side 56-63. 2.11.8 Norsk energiindustri, med mye vannkraft, fører til lite skader på miljøet. Men vannet som går ut fra turbinene, holder en noe høyere temperatur enn naturlig elvevann. Det kan påvirke kretsløpene i de fjordene eller vannene der utslippet skjer. Det samme gjelder for andre måter å produsere elektrisk energi på. I forbindelse med kjerneenergiverk vil det dessuten være en viss fare for utslipp av radioaktive forbindelser. 2.11.9 Noen forslag: Lovbestemte krav til grunneiere, industribedrifter, det offentlige og til privatpersoner om rensing av utslipp. Kampanjer, informasjon og konkurranser rettet mot viktige grupper, som barn og unge, familier, jordbrukere og industribedrifter. Skatter og gebyrer kan også brukes for å «straffe» forurensende aktivitet. 2.12 Vannets kretsløp 2.12.1 a) og b) Alle atomer som brukes til oppbygging av kjemiske forbindelser, både i organismer og i naturen ellers, vil før eller senere gå inn i nye forbindelser, dvs. bli resirkulert. I organismene er slike stoffkretsløp absolutt nødvendig. Uten kretsløp ville viktige grunnstoffer som karbon og oksygen snart bli bundet i forbindelser og dermed bli utilgjengelige for organismene. 2.12.2 Se tekst og figur side 58 og 59. 2.12.3 I planter brukes vannet bl.a. i fotosyntesen (CO 2 + H 2 O + lysenergi C 6 H 12 O 6 + O 2 ) og til transport av oppløste stoffer. Denne transporten skjer i ledningsstrengene og i cellene. I dyra inngår vannet i fordøyelsen. Her blir molekyler av fett, proteiner og karbohydrater spaltet til enklere forbindelser ved hjelp av enzymer. Fett + H 2 O fettsyrer + glyserol (propantriol), proteiner + H 2 O aminosyrer Polysakkarider / disakkarider (karbohydrater) + H 2 O monosakkarider (bl.a. glukose). Vannet er helt nødvendig for transport av oppløste stoffer i blodet og i cellene hos dyra.
2.13 Binding mellom vannmolekyler hydrogenbinding 2.13.1 Molekyler i væsker og faste stoffer holdes sammen av bindingskrefter som virker mellom molekylene. Disse bindingskreftene kan være: hydrogenbinding, dipol-dipol-binding, og binding mellom upolare molekyler. Se også tabellen i oppgave 2.13.4 som viser energien (styrken) som skal til for å bryte disse bindingene. 2.13.2 Se teksten i margen øverst side 60. 2.13.3 a) og b) Se faktasetning og tegning side 60. 2.13.4 a) Elektronparbinding og ionebinding. b) Om lag fem ganger så sterk. c) I en hydrogenbinding er det alltid et hydrogenatom (med en liten positiv ladning) på ett molekyl og et elektronegativt atom på et annet molekyl som bindes sammen. Hydrogenatomet kommer tett inntil det elektronegative atomet på et annet molekyl slik at det dannes en relativt sterk binding, selv om den regnes som en svak binding i kjemien. I en dipol-dipol-binding er det ikke krav til hvilke atomer som skal være med på å danne bindingen mellom atomene. 2.13.5 Vannet kan danne dråper. Den sterke overflatehinna gjør også at bl.a. insekter kan gå vannet eller henge i hinna. Vannet har relativt høyt smelte- og kokepunkt når en sammenlikner med tilsvarende kjemiske forbindelser. 2.13.6 Det er hydrogenbindinger sidelengs mellom vannmolekyler i overflaten og innover mot de andre vannmolekylene i vannet. Ingen krefter trekker vannmolekylene opp fra overflaten. Dette gjør at vannmolekylene i overflaten holdes sterkt sammen i sideretningen, og dette skaper en sterk overflatehinne. 2.13.7 Se teksten side 61 og figuren nederst på side 62 i grunnboka. 2.13.8 I en iskrystall har molekylene faste plasser, og molekylene er ikke pakket så tett som hos vann i væskeform. 2.13.9 Vannet er tyngst ved om lag 4 C, og når vannet avkjøles, vil vann med denne temperaturen synke mot bunnen. Når temperaturen i lufta er mellom 0 og 4 C, vil vannet i overflaten etter hvert nedkjøles tilsvarende og bli liggende over bunnvannet. Det kan dannes is i overflaten, men først når temperaturen i alt vannet ned mot bunnen når 0 C, kan dammen eller innsjøen bunnfryse.
2.14 Faseoverganger 2.14.1 De tre fasene er fast stoff, væske og gass. For vann er den faste fasen is og snø, og gassfasen er vanndamp. 2.14.2 Ved en bestemt temperatur som er karakteristisk for hvert enkelt stoff, vil et stoff gå over fra en fase til en annen. Det skjer en faseovergang. Eksempler på dette er is som smelter til vann i væskeform, og vann som fryser til is. 2.14.3 Vann i gassform (vanndamp) har høyere energi enn vann i væskeform. Og vann i væskeform har høyere energi enn vann i fast form (is). 2.14.4 a) Når vannmolekylene er ordnet i et fast mønster (på en bestemt måte) i is, danner de en krystallstruktur. Du kan lese om dette øverst på side 61, og en forenklet figur av iskrystall er vist på tegningen nederst til venstre på side 62. Kort forklart kan vi si at vannmolekylene i is er et fast sekskantet mønster. b) Det er hydrogenbindingene som virker mellom vannmolekylene som holder denne krystallstrukturen sammen. 2.14.5 Når vi varmer opp is fra minusgrader opp til 0 C, øker bevegelsesenergien til vannmolekylene (de «vibrerer» mer), men de beholder fortsatt sine faste plasser i iskrystallstrukturen. Når isen smelter, vil den tilførte energien gå med til å bryte mange av hydrogenbindingene i strukturen i iskrystallen. Dette skjer inntil all isen er smeltet. Hydrogenbindingene i vann i is og væskeform er vist på tegningen nederst på side 62. Når vi tilfører energi til vann i væskeform, øker bevegelsesenergien til vannmolekylene. Jo høyere temperatur, dess større er bevegelsesenergien til vannmolekylene. Nå vannet koker ved 100 C, går den tilførte energien med til å bryte de resterende hydrogenbindingene mellom vannmolekylene slik at vann går over i gassform (vanndamp). Varmer vi opp vanndampen, vil bevegelsesenergien til dampmolekylene øke. 2.14.6 a) Se side 62: Når vannet koker, er molekylbevegelsene kraftige nok til at den tilførte energien går med til å rive løs vannmolekylene fra væskefasen slik at de går over i gassfasen (vanndamp). b) Se side 62 og 63. Celsius' temperaturskala er fastsatt slik at kokepunktet for vann skulle svare til 100 grader og frysepunktet til null grader. 2.14.7 Temperaturen i faseovergangene endres ikke fordi den tilførte energien går med til å bryte kjemiske bindinger mellom molekylene. Ved avkjøling dannes det bindinger mellom molekylene i faseovergangene. Den frigitte energien blir avgitt til omgivelsene slik at temperaturen ikke endres.
2.14.8 Når et stoff smelter, er de fleste bindingene mellom partiklene (atomer eller molekyler) brutt. Det er forskjell på kjemiske forbindelser. Noen har sterkere bindinger mellom partiklene enn andre, og da kreves det mer energi i form av høyere temperatur. For stoffer som smelter lettere, er det omvendt. 2.14.9 a) På det første bildet sitter elevene på faste plasser, selv om de neppe er helt i ro. På det andre bildet øker elevenes energi, de begynner å bevege mer på seg. De bytter også plasser, men holder seg i rommet. På det siste bildet er energien så stor at de ikke lenger holder seg på plass. De bytter plasser, og mange av dem forsvinner ut av rommet der det er mulig. b) Vann i fast form: Molekylene har energi til å bevege seg, men ikke nok til at de forlater plassene sine i iskrystallene. Is har fast form og fast volum. Væske: Når energien øker, vil vannmolekylene få nok energi til å bryte bindingene seg imellom. De kan bytte plass, dvs. flyte omkring hverandre. Vann har fast volum, men ikke fast form. Gass (vanndamp): Enda mer energi fører til at bindingene brytes nær fullstendig. Da fordamper vannet, og det betyr at damp verken har fast form eller volum. Dampen sprer seg over det volumet den har til rådighet, slik elevene gjør det når de fullstendig har «tatt av». 2.14.10 Lukt sprer seg ved diffusjon, dvs. at de partikkelbevegelsene som alltid er i alle molekyler, fører til spredning. Bevegelsene er tilfeldige, slik at spredningen skjer tilfeldig. Da vil molekylene før eller senere ha spredd seg jevnt utover i hele det tilgjengelige volumet, dvs. rommet. 2.15 Andre oppgaver 2.15.1
2.15.2 Tema: proton. Påstand A og D er korrekte. Massen til et proton er om lag 1,0073 u, og et nøytron har masse 1,0087 u. Tema: atomkjerner. Påstand D er korrekt. Den vanligste isotopen av hydrogen har bare ett proton i kjernen, og dette gjør at påstand C ikke er riktig. Tema: elektronene. Påstand D er korrekt. Tema: atomnummer. Påstand A er riktig. Atomnummeret til et grunnstoff er lik protontallet. Tema: isotoper. Påstand C er riktig. Tema: kjemiske bindinger. Påstand A er riktig. I påstand B er det riktig at ioneforbindelser kalles salter, men dette er stabile forbindelser. I D er hydrogenbindingen (den sterkeste av de svake bindingene) mellom molekylene, ikke i molekylene.