Viktige begreper fra fysikk og kjemi

Innhold: Viktige begreper fra fysikk og kjemi... 1 Atom... 1 Grunnstoff... 2 Periodesystemet... 2 Molekyl... 2 Kjemisk binding... 3 Kjemisk nomenklatur... 5 Aggregattilstander... 5 Fast stoff... 6 Væske smelting og frysing eller størkning... 6 Gass fordampning, koking og fortetting... 6 Aggregatfaser og overganger mellom dem... 7 Sublimering en spesiell prosess... 7 Farlighet for de ulike fasene huskeregel... 7 Energi... 7 Kjemisk reaksjon... 8 Forbrenning... 8 Fullstendig forbrenning... 9 Ufullstendig forbrenning... 10 Viktige begreper fra fysikk og kjemi... 10 Viktige begreper fra fysikk og kjemi Atom Alle kjemikalier og alt farlig gods består av atomer. Et atom består av en kjerne som inneholder en eller flere positivt ladde partikler protoner og oftest et antall nøytrale partikler nøytroner. Den positivt ladde kjernen er omgitt av like mange negativt ladde partikler elektroner som det er positive protoner i kjernen. Hvert proton har én positiv ladning, og hvert elektron har én negativ ladning. Summen av ladningene i et atom er derfor null (like mange positive og negative ladninger), og vi sier at atomet er elektrisk nøytralt. Like typer ladninger frastøter hverandre, og motsatte ladninger tiltrekker hverandre. Denne frastøtningen og tiltrekningen av ladninger representerer en av naturkreftene, nemlig den elektromagnetiske kraften. Litt forenklet kan en si at grunnen til at de negative elektronene ikke trekkes inn mot den positive kjernen, er at elektronene farer i stor fart omkring kjernen, og dermed klarer de å motstå tiltrekningskraften fra kjernen. Men hvis de positive protonene i kjernen frastøter hverandre elektrisk, hvorfor er de likevel sammen i kjernen? Det kommer av at en annen type naturkraft holder dem sammen der, nemlig kjernekraften. (Det finnes to typer kjernekraft.) Vekten av alle legemer representerer også en naturkraft, tyngdekraften. Det meste av et atoms vekt sitter i kjernen. Det skyldes at protoner (og nøytroner, som finnes i de fleste kjerner), veier nesten 2000 ganger så mye som elektroner. Læren om naturkreftene kalles fysikk (av det greske navnet på natur: fysis). 1

Atomene er uhyre små. I hvert gram vann finnes det for eksempel ca. 100 000 000 000 000 000 000 000 (1 med 23 nuller, eller 100 trilliarder) atomer! Et eksempel på et atom med ett proton og ett elektron (i sin bane, som kalles et «elektronskall») er vist på figuren. Grunnstoff En samling like atomer (det vil si med samme antall protoner) hører til samme grunnstoff. Grunnstoffene nummereres fra nr. 1 og oppover. Her er en grei huskeregel: Grunnstoffnummeret er det samme som antallet protoner (og det samme som antallet elektroner) i atomet. Atomer av grunnstoff nr. 79 inneholder 79 protoner (og 79 elektroner), atomer av grunnstoff nr. 45 inneholder 45 protoner (og 45 elektroner), osv. Alle de naturlig forekommende grunnstoffene er ordnet i et system, periodesystemet. Vanligvis er drøyt 100 grunnstoffer satt opp i dette systemet; vi har drøyt 100 ulike atomer. Grunnen til at det ikke finnes flere (større) atomer, er at den totale elektriske frastøtningen mellom de positive protonene i kjernen vil bli for stor til at den sammenbindende kjernekraften er i stand til å holde kjernen sammen «i ett stykke». Periodesystemet Periodesystemet (se neste side) er en tabelloversikt over de atomene som forekommer naturlig. Atomene er her ordnet i perioder og i grupper, og de ulike stoffene i en og samme (vertikale) gruppe har lignende kjemiske egenskaper, det vil si at de reagerer kjemisk på en ganske lik måte. I periodesystemet er stoffene ofte vist ved atomnummer (som er det samme som grunnstoffnummeret), som angir antall protoner i kjernen atomets navn, for eksempel heter grunnstoff nr. 1 hydrogen en forkortelse av atomets navn, kalt atomets symbol. Hydrogen har symbolet H atomvekten, som (noe forenklet) er vekten av et atom i forhold til hydrogen Jo større atomene er, det vil si når atomnummeret eller grunnstoffnummeret øker, desto større er atomvekten. Molekyl Atomer (i antall fra to til flere millioner) kan være bundet sammen i molekyler ved hjelp av kjemisk binding. Bindingene består av elektroner. Et enkelt elektron kan bevege seg fram og tilbake mellom atomene i molekylet, og (litt forenklet sagt) på ett tidspunkt kretse rundt ett av atomene, for så å kretse rundt et annet. Denne elektronbevegelsen er med på å binde flere atomer sammen til et molekyl. 2

Kjemisk binding Det ble nevnt at atomene i et molekyl «henger sammen» ved bindinger mellom atomene. Vi kan forestille oss disse bindingene ved at negative elektroner tiltrekkes av flere positive atomkjerner samtidig, og slik holder atomene sammen. Det kreves energi for å rive de enkelte atomene i et molekyl fra hverandre; en må overvinne tiltrekningskreftene i bindingen. I noen molekyler skal det lite energi til for å bryte bindingene, dette er svake bindinger. Motsatt kalles bindingene sterke når det kreves stor energi å bryte dem. Når nye molekyler blir dannet i en kjemisk reaksjon, kan energi bli frigitt i større eller mindre mengder (som for eksempel varme eller lys) avhengig av hvilke nye bindinger som dannes. Læren om at for eksempel molekyler rives opp i deler som setter seg sammen til andre typer molekyler, altså læren om stoffomsetning, kalles kjemi (av arabisk alkymi, som gikk ut på å gjøre stoffer om til gull). 3

4

Kjemisk nomenklatur Som nevnt har de ulike atomene og grunnstoffene hvert sitt navn og hvert sitt forkortede navn, kalt symbol. Vi har sett at atomer kan slå seg sammen til molekyler, og at molekyler kan inneholde fra to til flere millioner atomer. Også molekylene har navn og forkortede navn, molekylformler. Vi bruker vann for å vise prinsippet for hvordan molekylformler blir angitt: Vann (både i fast form, væskeform og som gass/damp) er et molekyl som består av to hydrogenatomer og ett oksygenatom, altså (forkortet) av 2 O-atomer og 1 H-atom. Molekylformelen for vannmolekylet skrives derfor (som de fleste sikkert vet) som H 2 O. Hvis vi har to vannmolekyler, skrives det slik: 2 H 2 O, og så videre. Stoffer i farlig gods og i andre stoffer, består av molekyler. For eksempel består luft vesentlig av oksygen, nitrogen og karbondioksid. Alle disse tre gassene er i molekylform. I oksygenet er 2 O-atomer bundet sammen til molekylet O 2, og lignende, mens karbondioksid har molekylformelen CO 2, og altså består av ett karbonatom, C, og to O-atomer. To andre eksempler på molekylformler er C 3 H 8 for propanmolekylet og H 2 SO 4 for svovelsyremolekylet. Vi ser at propanmolekylet består av tre karbonatomer (C-atomer), og åtte hydrogenatomer (H-atomer), og at svovelsyremolekylet består av to H-atomer, ett svovelatom (S) og fire O-atomer. Videre har vi at åtte propanmolekyler skrives 8 C 3 H 8, og at 23 svovelsyremolekyler skrives 23 H 2 SO 4. Har man forstått dette, så kan man også forstå reaksjonen nedenfor. Metan (biogass) har molekylformelen CH 4, og den kjemiske reaksjonslikningen (med like mange atomer på hver side av reaksjonspilen) for forbrenning av metan med oksygen, som danner karbondioksid og vann, kan skrives slik: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O + varme Her ser vi at ett molekyl metan har reagert med to molekyler oksygen og brent til ett molekyl karbondioksid og to molekyler vann. Tell opp og se at det er like mange atomer på hver side av reaksjonspilen. Aggregattilstander Kjemikalier kan forekomme i ulike aggregattilstander eller -faser avhengig av temperaturen. Tre faser er viktige å kjenne til: fast stoff, væske og gass. (Det finnes også en fjerde, plasmafasen, som ikke er så relevant i farlig gods-sammenheng.) Vi bruker vann som eksempel for å se på noen begreper. 5

Fast stoff Vi antar at vi har en kjele med is, og at temperaturen er under 0 ºC. Is er vann i form av fast stoff, og vi sier at is er vann i aggregattilstanden eller aggregatfasen fast stoff, eller enklere: vann i fast fase. Isen består av vannmolekyler som står på faste plasser i et gitter, og hvert molekyl vibrerer litt omkring den faste posisjonen i gitteret, men flytter seg ikke til nye posisjoner. Væske smelting og frysing eller størkning Hvis vi nå tilsetter varme (som er en form for energi) til isen, blir varmeenergien, som er en slags bevegelsesenergi, overført til vannmolekylene i isen og gjør at de begynner å vibrere sterkere, og etter hvert slipper de løs fra gitteret og beveger seg rundt hverandre fra sted til sted. Gitteret faller fra hverandre. Vi observerer at isen går over i en annen aggregatfase som kalles væske (flytende fase). Vi sier at isen smelter. Den temperaturen isen smelter ved, kalles smeltepunktet (for vann 0 ºC). Den faste isen har altså gått over til en annen aggregatfase, væske. I en væske beveger molekylene seg omkring hverandre. Hastigheten på bevegelsen øker med økende temperatur. Hvis vi lar vannvæsken avkjøles igjen til den kommer ned til smeltepunktet, begynner væsken å fryse til is. En kaller derfor smeltepunktet også for frysepunkt. For en tilsvarende prosess med flytende metall sier vi at metallet størkner ved smeltepunktet/frysepunktet, som derfor også for blant annet metaller kalles størkningspunkt. Gass fordampning, koking og fortetting Hvis vi tilsetter varme til væsken ovenfor, vil molekylene øke hastigheten inne i væsken, og flere og flere molekyler vil rive seg løs enkeltvis fra væsken. De molekylene som river seg helt løs, kalles gass (damp). Vi sier at vannet fordamper. Når temperaturen øker, øker også hastigheten til molekylene, og dermed trykket, i gassen. Molekylene (som heldigvis er knøttsmå) kan bevege seg rundt med hastigheter på langt over 1 km/sekund. Ved den temperaturen der trykket på gassen over væsken har nådd opp til, og blitt lik, atmosfæretrykket (1 bar trykk), sier vi at væsken koker. Temperaturen kalles kokepunktet. For vann observerer vi at vannet koker ved at det dannes små og store bobler som stiger opp til vannoverflaten ved denne temperaturen, som ved normalt atmosfæretrykk er 100 ºC. Merk at vann, og alle andre væsker, avgir gass også ved lavere temperatur enn kokepunktet. Det spesielle ved kokepunktet er altså at ved den temperaturen har gassen et trykk på 1 atmosfære (1 bar). Den omvendte prosessen, altså overgangen fra gass til væske, kalles fortetting eller kondensering. 6

Aggregatfaser og overganger mellom dem Ovenfor har vi brukt vann som eksempel, men de samme prinsippene og betegnelsene kan brukes på de fleste enklere molekyler og forbindelser av stoffer. Er stoffene under smeltepunktet, er de i fast fase, ved smeltepunktet går de over i væskefase, og i væskefasen avgir de mer og mer gass med økende temperatur. Temperaturen når kokepunktet idet gassen får atmosfæretrykk, og over kokepunktet har alt stoffet i gassfasen større trykk enn atmosfæretrykk. Smeltepunktene (og kokepunktene) er forskjellige for ulike stoffer. Sublimering en spesiell prosess Noen stoffer kan gå direkte over fra fast stoff til gass. For eksempel vil tørris (karbondioksid i fast fase) gå direkte fra fast tørris over til gass (karbondioksidgass). Likedan vil snø til dels kunne gå direkte over til gass på varme dager om våren. Et kjent farlig gods-stoff, acetylen, går ved 84 ºC rett fra fast fase over til gass når det varmes opp, og omvendt rett fra gass over til fast fase ved denne temperaturen når det avkjøles. En slik direkte overgang fra fast stoff til gass eller omvendt kalles sublimering. Ordet sublimering brukes altså «begge veier». Farlighet for de ulike fasene huskeregel Vi skal senere se at det forekommer kjemiske reaksjoner der molekylene kolliderer med tilstrekkelig høy hastighet eller energi til at bindingene mellom atomene i molekylet rives i stykker. For et stoff kan en derfor som en forenklet huskeregel si at stoffet er mindre farlig i fast fase (da molekylene i stoffet står stille) enn i væskefasen (da molekylene beveger seg med en viss relativt lav hastighet), og at stoffet er enda mer reaktivt når det er i gassfasen (da molekylene beveger seg raskest). Vi husker fra brannteorien at stoffene må over i gassfasen for å brenne, fordi en forbrenning krever svært stor hastighet på molekylene (et mulig unntak er glødebrann). Energi Energi kan defineres som evnen til å utføre arbeid (gresk: en = inneholder; ergon = arbeid). Som nevnt kreves det energi for å bryte kjemiske bindinger. Omvendt kan energi frigis når bindinger blir dannet ved at atomer binder seg sammen til molekyler. Hvor mye energi for eksempel én liter av et stoff kan avgi ved en kjemisk reaksjon, avhenger både av hvor mye energi de enkelte bindingene i molekylet inneholder, hvor mange atomer og bindinger hvert molekyl har, og hvor tett molekylene er pakket i stoffet. En annen form for energi finner vi når molekylene beveger seg. Jo raskere molekyler beveger seg, desto mer energi har de. En annen måte å si dette på er at når et stoff varmes opp, vil molekylene i stoffet bevege seg mer, og dermed ha større energi. 7

Kjemisk reaksjon For å forstå hva en kjemisk reaksjon er, kan vi tenke oss to molekyler som kolliderer. Hvis molekylene kolliderer langsomt, er hastigheten eller energien i kollisjonen så liten at bindingene mellom atomene i molekylet ikke rives i stykker. Det skjer da ingenting med selve molekylene. Etter sammenstøtet beveger de seg fra hverandre, «uskadet», og det finner ikke sted noen kjemisk reaksjon. Hvis hastigheten i kollisjonen øker (energien eller temperaturen øker), kan kollisjonen bli så kraftig at én eller flere bindinger i molekylene rives i stykker. Molekylene blir delt opp i mindre biter. Disse bitene kan vi se på som elektrisk ladede (positivt eller negativt) deler, kalt radikaler. Bitene søker å binde seg sammen igjen for å danne molekyler. Her er å merke seg at de nye molekylene som dannes, er forskjellige fra dem vi hadde i utgangspunktet. Når vi etter slike kollisjoner får dannet andre molekyler enn vi hadde før kollisjonen, kalles det en kjemisk reaksjon. Legg merke til at ingenting skjer med selve atomene: «Molekylene forgår (og nye dannes), mens atomene består». Siden molekyler beveger seg raskere ved høyere temperaturer, er det vanligvis slik at kjemiske reaksjoner skjer «lettere» når temperaturen øker. Derfor gjelder den forenklede huskeregelen ovenfor. Et eksempel kan gjøre dette noe klarere: La oss si at et bensindampmolekyl med lav temperatur (altså med relativt lav energi/hastighet) kolliderer med et oksygenmolekyl med lav temperatur (også med relativt lav energi/hastighet). Kollisjonen er da såpass svak at de to molekylene «overlever kollisjonen uskadd», og etter kollisjonen beveger de seg fra hverandre. Ingen molekyler er ødelagt, og ingen kjemisk reaksjon har skjedd. Hvis hastigheten til molekylene økes, når de etter hvert en hastighet der kollisjonen blir så kraftig at molekylene deles opp i biter, som så setter seg sammen til andre molekyler enn dem vi hadde først. En kjemisk reaksjon har skjedd. I vårt eksempel med bensin vil energi bli frigitt idet bindingene i de nye molekylene (brannproduktmolekylene) blir dannet. Vi har: bensin + oksygen karbondioksid + vann Forbrenning En forbrenning er en kjemisk reaksjon mellom oksygen og et annet stoff (kalt brenselet) som er slik at det frigjøres varme, vanligvis fulgt av lys (flamme og/eller glo) eller røykdannelse. I en brann har man et energirikt brensel som brenner, og det dannes energifattigere forbrenningsprodukter. Det er energidifferansen mellom de energirike og de energifattige stoffene som blir frigitt (som lys, røyk, varmestråling osv.). (Fordi vann, karbondioksid og sand på en måte er resultatet av forbrenningsprosessen eller andre oksidasjonsprosesser, brenner de ikke: «Ting brenner ikke to ganger».)nå er det slik at de energifattige produktene er mer stabile enn de energirike brenslene, og naturen «søker» ofte mot å oppnå stabile tilstander. Se figuren til venstre. 8

Brann er en kjemisk reaksjon mellom et brensel og oksygen, og krever at molekylene beveger seg med en viss hastighet, altså at de har en viss temperatur, for at molekylene skal kunne deles opp og omdannes til andre molekyler. De tre uthevede ordene ovenfor danner utgangspunktet for branntrekanten, se figuren. Selve brannprosessen er en kjedereaksjon, da blant annet de delene de svært reaktive radikalene som oppstår når molekylene rives i stykker, i sin tur kan fare videre og kollidere med andre molekyler slik at disse også rives i stykker, og så videre. Radikaler kan altså fare omkring en stund og dele opp andre molekyler, før bitene setter seg sammen til nye molekyler, og energi blir avgitt. Med dette fjerde uthevede ordet på plass kan vi derfor framstille vilkårene for at en brann skal skje, som en brannfirkant, se figuren. All energiomsetting (varme, lys, bevegelse) i en brann, skjer altså i utgangspunktet ved at bindinger brytes (krever energi), og så ved at nye bindinger dannes (energi frigis). Husk at det bare er gass som brenner. Faste stoffer og væsker brenner ikke, de må først over i gassform. Det er først i gassfasen at molekylene beveger seg fort nok til at kollisjonene mellom brenselmolekyler og oksygenmolekyler blir kraftige nok til å bryte molekyler i stykker og danne radikaler. Fullstendig forbrenning Brann er altså en kjemisk reaksjon mellom et brensel og oksygen. Hvis det er nok av brensel og oksygen, og temperaturen er høy nok, får man en fullstendig forbrenning. Det betyr at alle bindingene i brenselet og i oksygenmolekylene brytes, og alle atomene i brenselet får anledning til å reagere med tilstrekkelig mange oksygenatomer. Hvilke produkter som dannes ved en fullstendig forbrenning, er avhengig av hvilken type brensel man har. Noen eksempler: Karbonatomer (C) som brenner, gir karbondioksid, CO 2 Hydrogenatomer (H) vann, H 2 O Svovelatomer (S) svoveldioksid, SO 2, eller svoveltrioksid, SO 3 Nitrogenatomer (N) nitrøse gasser, NO og NO 2 Kloratomer (Cl) saltsyre, HCl Siden tre, papir, plast, olje, bensin, metan, propan og butan i hovedsak består av karbonatomer og hydrogenatomer, forstår man at ved «vanlige» branner er det mest karbondioksid og vann som dannes ved en fullstendig forbrenning. 9

Ufullstendig forbrenning Hvis det ikke er tilstrekkelig oksygen eller høy nok temperatur til at alle bindinger kan brytes, får man en ufullstendig forbrenning. Da er situasjonen mye mer uoversiktlig enn ved en fullstendig forbrenning. Dette betyr at det er mer tilfeldig hvilke forbrenningsprodukter som blir dannet, og at det oftest blir flere typer forbrenningsprodukter enn ved en fullstendig forbrenning. Eksempler på produkter fra en ufullstendig forbrenning: Noen av nitrogenatomene (N) kan gi blåsyre (HCN, giftig) nitrogenatomene (N) ammoniakk (NH 3, giftig) svovelatomene (S) hydrogensulfid (H 2 S, giftig) Karbonatomer (C) kan gi karbonmonoksid kullos (CO, giftig) Lange karbonkjeder (med eventuelle andre atomer tilknyttet) blir revet løs som partikler, det vil si sot. Grå eller svart røyk dannes bare som et resultat av ufullstendig forbrenning. Ufullstendig forbrenning kan avgi mange mer eller mindre skadelige produkter (som kan gi kreft, være giftig, miljøgifter osv.). Viktige begreper fra fysikk og kjemi atom: de minste delene som stoffer er bygd opp av, og som stoffet kan deles opp i og fremdeles beholde sine karakteristiske egenskaper. Et atom inneholder like mange positivt ladede protoner og negativt ladede elektroner, og er derfor elektrisk nøytralt atomkjerne: atomnummer: atomvekt: binding: sentrum av et atom, utgjør nesten hele vekten av atomet. Består av protoner og nøytroner bundet sammen av kjernekrefter antall protoner i atomkjernen vekten av et atom i forhold til vekten av et hydrogenatom (som ble gitt verdien 1). Nå blir atomvekt definert i forhold til et karbonatom (som er gitt verdien 12) elektriske krefter som binder atomer sammen i for eksempel et molekyl. Det kreves energi for å bryte en binding og dermed rive atomene i et molekyl fra hverandre elektromagnetisme: kraft som virker mellom ladninger og felter knyttet til ladninger. Kraften viser seg på to måter: som elektrisitet og som magnetisme elektron: negativt ladet elementærpartikkel som i et nøytralt atom kretser rundt atomkjernen i samme antall som det er protoner i kjernen 10

fysikk: grunnstoff: grunnstoffnummer: grunnstoffnavn: kjemi: kjemisk likning: kjemisk reaksjon: kjernekraft: molekyl: molekylformel: nøytron: læren om materiens oppbygning og de kreftene som virker i naturprosessene består av like atomer, det vil si at alle atomkjernene i stoffet inneholder det samme antallet protoner det samme som atomnummer angis med kjemisk tegn (symbol) som består av den første bokstaven i grunnstoffets latinske navn og ofte en bokstav til. Eksempler: O, N, Cl (oksygen, nitrogen, klor) læren om stoffene og deres egenskaper, sammensetning og reaksjoner symbolsk framstilling av en kjemisk reaksjon, med stoffene vi har før reaksjonen til venstre for en reaksjonspil, og stoffene vi har etter reaksjonen til høyre for pilen. Stoffene skrives med for eksempel molekylformler. Eksempel: CH 4 + 2 O 2 CO 2 + 2 H 2 O prosess som fører til at stoff(er) omdannes til andre stoffer, som er forskjellige fra utgangsstoffet (-stoffene) kraft som binder atomkjernen sammen. (Egentlig finnes det to typer kjernekraft, sterk og svak. Den som er nevnt her, er den sterke.) består av to eller flere atomer som henger sammen med bindinger. Atomene i et molekyl kan være like eller ulike forteller hvilke typer atomer og hvor mange atomer av hver type som et molekyl består av. Eksempel: H 2 O (vann) består av to hydrogen (H)- atomer og 1 oksygen (O)-atom kjernepartikkel uten elektrisk ladning. Veier nesten 2000 ganger (egentlig 1840 ganger) så mye som et elektron periodesystemet: en systematisk oversikt over grunnstoffene, der de er satt opp i 7 perioder (horisontale rekker) og 18 grupper (kolonner) slik at likheter og forskjeller i stoffenes fysiske og kjemiske egenskaper kommer godt fram proton: stoff: tyngdekraft: kjernepartikkel med positiv elektrisk ladning. Veier nesten 2000 ganger (egentlig 1836 ganger) så mye som et elektron alt som har en fysisk utstrekning en universell tiltrekningskraft som virker mellom alt stoff 11