423 Atomer er naturens minste byggesteiner Atom: Atomet er den minste delen av et grunnstoff som fortsatt har de kjemiske egenskapene til grunnstoffet. Atomet består av en positivt ladd atomkjerne. Rundt kjernen kretser det negativt ladde elektroner. Atomkjerne: Atomer har en kjerne som består av protoner og nøytroner. Protonene har en positiv ladning, mens nøytronene er elektrisk nøytrale. Kjernen får dermed en positiv ladning. Nesten hele massen til atomet er samlet i kjernen. Atomnummer = protontall: Atomnummeret til et grunnstoff angir antallet protoner i atomkjernen. Når et atom er elektrisk nøytralt, er også antallet elektroner lik atomnummeret. Skallmodellen: I skallmodellen tenker vi oss at elektronene kretser rundt atomkjernen i bestemte skall, i til dels stor avstand fra kjernen. vert skall svarer til et bestemt energinivå hos atomet. For eksempel har oksygenatomet 8 protoner i kjernen. Rundt kjernen kretser det 8 elektroner. To elektroner befinner seg i skall nummer 1. Med disse to elektronene er skall nr. 1 fullt. De seks siste elektronene befinner seg i skall nr. 2. Skall nr. 2 ligger utenfor skall nr. 1, og elektronene som befinner seg her, har mer energi enn elektronene i skall nr. 1. Atomkjerne med 8 protoner Elektron 8 Valenselektron: Valenselektroner er elektroner i det ytterste skallet. Egenskapene til et atom er i hovedsak knyttet til antallet elektroner rundt kjernen, og spesielt til valenselektronene. Periodesystemet ordner grunnstoffene i 18 grupper Grunnstoff: Et grunnstoff er et stoff som består av én type atomer (det vil si atomer som inneholder kjerner med samme antall protoner). I dag kjenner vi til 118 forskjellige grunnstoffer, for eksempel hydrogen (), oksygen (), natrium (Na) og klor (l). Kjemisk forbindelse: En kjemisk forbindelse er et stoff som kan spaltes til to eller flere grunnstoffer. Det består av flere atomtyper. Eksempler: vann ( 2 ), natriumklorid (Nal). Periodesystemet: I periodesystemet er grunnstoffene ordnet etter økende antall protoner i kjernen. Periodesystemet er inndelt i loddrette grupper og vannrette perioder. Se Periodesystemet på omslaget. 18 grupper: De loddrette gruppene nummereres fra 1 til 18. Gruppene 1 2 og 13 18 kaller vi hovedgrupper. Grunnstoffene i hovedgruppene viser svært stor likhet når det gjelder kjemiske egenskaper. Det siste sifferet i gruppenummeret i hovedgruppa angir hvor mange ytterelektroner grunnstoffene har. Gruppe 18 kalles edelgasser, og de har åtte elektroner i det ytterste skallet. Periode: Grunnstoffer med samme antall elektronskall står i samme vannrette periode. Metaller og ikke-metaller: Til venstre i periodesystemet finner du alle metallene. Ikke-metallene står til høyre. Mellom metallene og ikke-metallene finner du halvmetallene. Skall nr. 1 Skall nr. 2 Elektronfordeling: Det største antallet elektroner skallene kan ha, er: Skall nr. 1: 2 elektroner, skall nr. 2: 8 elektroner, skall nr. 3: 18 elektroner, skall nr. 4: 32 elektroner I det ytterste skallet har atomene aldri mer enn 8 elektroner, selv om det er plass til flere, for eksempel i skall nr. 3 og 4. 32 18 8 2 Edelgasstruktur og åtteregelen Edelgasstruktur: Det er elektronene i det ytterste skallet (valenselektronene) som er av størst betydning for egenskapene til atomene. Alle edelgassene, med unntak av helium, har åtte elektroner i det ytterste skallet. Denne strukturen er særlig stabil. Åtteregelen: Atomene skaffer seg åtte elektroner i det ytterste skallet (edelgasstruktur) ved å danne bindinger med hverandre. Det gjør de ved å avgi eller ta opp elektroner, eller ved å dele elektroner mellom seg. Åtteregelen kaller vi også oktett - regelen.
424 Sterke bindinger: Vi deler ofte de sterke bindingene inn i tre forskjellige typer: ionebinding, elektronparbinding og metallbinding. Ionebinding finner vi i salter, og bindingene skyldes elektrisk tiltrekning mellom ioner Ion: Et ion er et atom som har fått eller mistet ett eller flere elektroner. Slik får ionet edelgasstruktur. For eksempel er natriumionet (Na ) dannet ved at et natriumatom (gruppe 1 = 1 ytterelektron) har avgitt sitt ene ytterelektron. Natriumionet får ladningen fordi det nå har bare 10 negativt ladde elektroner i bane rundt en kjerne med 11 positivt ladde protoner. Kloridionet (l ) er dannet ved at kloratomet (gruppe 17 = 7 ytterelektroner) har tatt opp ett elektron. Kloridionet får ladningen 1 fordi det nå har 18 negativt ladde elektroner, men fortsatt bare 17 positivt ladde protoner i kjernen. ladning 2. Ikke-metallene i gruppe 17 danner ioner med ladning 1. Elektronparbinding finner vi i molekyler der atomene deler elektronpar mellom seg Elektronparbinding: I en elektronparbinding deles ett eller flere elektronpar mellom atomene i molekylet. I for eksempel hydrogenmolekylet ( 2 ) deler de to hydrogenatomene de to elektronene (én fra hvert atom) som et elektronpar. Ved å dele elektronparet, får begge -atomene samme elektronfordeling som edelgassen helium (e), som har to elektroner. 2 1 Na 17 l 1 Na Både natriumionet og kloridionet har nå 8 ytter - elektroner. Ionebinding: Bindingen mellom ioner kaller vi ionebinding, og det er en sterk binding. Ionebinding skyldes at de positive ionene og de negative ionene tiltrekker hverandre. Salt: Et salt er bygd opp av ioner. I fast form danner ionene en regelmessig krystallstruktur. Eksempler på salter er natriumklorid (Nal), magnesium oksid (Mg) og kobbersulfat (us 4 ). I et salt er det like mange positive som negative ladninger. 17 l Enkelt, dobbelt og trippel: Når atomene deler ett elektronpar, kaller vi det en enkeltbinding. Deler atomene to eller tre elektronpar, kaller vi det dobbelt- eller trippelbinding. Et eksempel på dobbeltbinding finner vi i oksygenmolekylet ( 2 ). ver for seg har de to oksyge n- atomene seks elektroner i det ytterste skallet. De to oksygenatomene utfyller hverandres elektronskall ved at to elektronpar deles mellom atomene. gså her er elektronene i elektronparene med i det ytterste elektronskallet til begge atomene, slik at det er åtte elektroner i begge skall. ksygenatomene får da samme elektronfordeling som edelgassen neon. 8 8 8 8 2 Na l Ionebinding i periodesystemet: Vi finner ofte ionebinding i kjemiske forbindelser mellom metaller og ikke-metaller. For eksempel danner metallene i gruppe 1 i periodesystemet ioner med ladning, mens metallene i gruppe 2 danner ioner med Polar binding: Mellom to forskjellige atomer kan bindingen bli polar. En slik polar binding har vi når det ene atomet trekker mer på elektronparet enn det andre. Eksempel: I vannmolekylet ( 2 ) er -atomene og -atomet bundet til hverandre 8 med en polar binding. De deler elektroner slik at -atomene får to elektroner og -atomet åtte elektroner i
425 det ytterste skallet. Bindingen er polar fordi elektronparene blir trukket mer over mot -atomet. Dipol: Vannmolekylet er en dipol. rdet dipol betyr «to poler». -atomet har et overskudd av negativ ladning og blir negativ pol i molekylet. -atomene får overskudd av positiv ladning og blir positiv pol i molekylet. Elektronpar binding i periode systemet: Elektronparbinding finner vi ofte mellom to ikkemetaller. Unntakene er edelgassene i gruppe 18 i periodesystemet, som er svært stabile fordi de allerede har 8 elektroner i ytterskallet. Molekylmodeller: Vi kan vise molekyler med mange forskjellige modeller, her vist for vann: hvert atom har et stort antall atomer som nærmeste nabo. De ytterste elektronene er felles for hele metallstykket og resulterer i at atomene er bundet sammen med metallbinding. De fleste metaller har lett for å avgi sine ytterelektroner og danne positive ioner. rganisk kjemi handler om karbonforbindelser rganiske stoffer: rganiske stoffer er kjemiske forbindelser som inneholder karbon (), med noen unntak. Eksempler er karbonoksider ( og 2 ), karbonsyre ( 2 3 ) og salter som inneholder karbonationer ( 3 2 ). Karbonatomet: Karbon er grunnstoff nummer seks og har seks elektroner, to i det innerste skallet og fire i skall nummer to. vert karbonatatom kan danne fire elektronparbindinger med opptil fire andre atomer, noe som gir millioner av muligheter. Derfor finnes det også flere titalls millioner organiske stoffer. ydrokarboner: ydrokarboner er bygd opp av karbon og hydrogen. lje og naturgass består for det meste av hydrokarboner. Det enkleste hydrokarbonet er gassen metan ( 4 ). ydrokarbonene får navn etter antallet karbonatomer i molekylene, og dette danner grunnlag for navnsetting av alle organiske stoffer. Navn Molekylformel Strukturformel Metan 4 Etan 2 6 Propan 3 8 Butan 4 10 Pentan 5 12 Metallbinding i metaller er en felles sky av valenselektroner eksan eptan 6 14 7 16 Metaller: Typiske egenskaper hos metallene er at de er gode ledere for elektrisk strøm og varme, at de har en blank overflate, og at de er bøyelige og kan valses ut til tynne plater og trekkes ut til tråder. Metaller finner vi til venstre i periodesystemet. Metallbinding: Metallatomene har få elektroner i det ytterste skallet. Metallene er bygd opp slik at ktan Nonan Dekan 8 18 9 20 10 22
426 Stoffgrupper: rganiske stoffer er delt inn i stoffgrupper. Alle stoffgruppene har et hydrokarbonskjelett og én eller flere karakteristiske atomgrupper bundet til seg. Alkoholer: rganiske stoffer som har en -gruppe i molekylet, hører med til stoffgruppa alkoholer. Alkoholene får navn etter antallet -atomer, «hydrokarbonskjelettet», med endelsen ol. Alkoholen med to karbonatomer, 3 2, er etanol. Samfunn: Et samfunn består av alle populasjonene som lever innenfor et avgrenset område. En del av samfunnet i en innsjø er for eksempel populasjonene av hvit nøkkerose, abbor, vanlig øyenstikker og stokkand. Økosystem: Et økosystem omfatter alle artene som lever innenfor et avgrenset område, i tillegg til miljøet de lever i. En innsjø er et eksempel på et økosystem. En skog, en myr og fjæra er andre eksempler på økosystemer. Økosystem/innsjø Samfunn Populasjon Individ Karboksylsyrer (organiske syrer): rganiske stoffer der ett av karbonatomene har bundet til seg både et oksygenatom (en =-gruppe) og en -gruppe, er karboksylsyrer. Syra med to karbonatomer, 3, heter etansyre (også kalt eddiksyre). Karboksylsyrer med mer enn tre karbonatomer i molekylene blir kalt fettsyrer. Estere: En alkohol og en karboksylsyre kan binde seg til hverandre og spalte av et vannmolekyl. Forbindelsen som blir dannet, er en ester. 3 2 5 3 2 2 5 karboksylsyre alkohol ester vann Et eksempel på en ester er fett (triglyserid). Triglyserider er dannet av en alkohol med tre -atomer (en propanol) og tre fettsyrer. Grunnbegreper i økologien Art: En art omfatter de individene som likner hverandre både i bygning og levesett, og som kan få forplantningsdyktig avkom. Et eksempel er abbor, en art vi finner i mange ferskvann i Europa. Populasjon: En populasjon (eller bestand) er de individene av en art som lever innenfor et avgrenset område. Et eksempel er alle abborene i en bestemt innsjø. De biotiske faktorene alt som er levende Alle organismene i et økosystem kaller vi de biotiske faktorene. Vi deler dem inn i produsenter, forbrukere og nedbrytere. Produsenter: Grønne planter kalles produsenter. I fotosyntesen lager de det organiske næringsstoffet glukose av vann og karbondioksid ved hjelp av solenergi. Vi skriver reaksjonen slik: Karbondioksid vann glukose oksygen 6 2 6 2 6 12 6 6 2 Produsentene kommer alltid først i næringskjeder. Forbrukere: Dyr som spiser levende planter og dyr, kaller vi forbrukere. De er avhengige av produsentene for å leve. De dyrene som lever av plantekost, kaller vi planteetere eller førsteforbrukere. Dyr som lever av planteetere, kaller vi andreforbrukere. Dyr som lever av andreforbrukere, kaller vi tredjeforbrukere. Alle dyr som fanger og spiser andre dyr, kaller vi rovdyr. Rovdyr kan altså være andreforbrukere eller tredjeforbrukere. Nedbrytere: Nedbryterne lever av døde planter og dyr og bryter dem ned til enklere forbindelser. Til gjengjeld får nedbryterne energi og byggesteiner til sine livsfunksjoner. De mest tallrike nedbryterne er bakterier og sopp, men mange insekter tilhører
427 også denne gruppa, sammen med meitemark, midd, tusenbein og skrukketroll. Nedbrytingen av døde planter og dyr kaller vi forråtnelse. De abiotiske faktorene alt som ikke er levende Abiotiske faktorer: Det ikke-levende miljøet i et økosystem består av de abiotiske faktorene. Dette er faktorer som setter grenser for alle de levende organismene. Luft: Lufta inneholder blant annet gassene karbondioksid ( 2 ) og oksygen ( 2 ), gasser som inngår i de viktige prosessene fotosyntese og celleånding. Vann: Vann ( 2 ) inngår i mange prosesser i planter og dyr. Plantene trenger vann for å lage glukose i fotosyntesen, og i alle organismer foregår det utallige kjemiske reaksjoner i vann. Jord: Jorda inneholder vann og næringsstoffer som plantene trenger. I tillegg finner plantene feste i jorda. Mange dyrearter finner beskyttede levesteder her. Den øverste delen av jorda, der plantene brer ut røttene sine, kaller vi jordsmonnet. fte inneholder jordsmonnet døde plante og dyrerester, som vi kaller humus. Lys: Sollys er helt nødvendig for alle økosystemer. Uten energi fra sollyset kan ikke plantene bygge opp organiske forbindelser gjennom fotosyntesen. Vind og temperatur: Vind og temperatur er også abiotiske faktorer som påvirker organismene. Lufttemperaturen og vinden påvirker hvor mye vann og hvor mye varme en organisme skal tape. Temperaturen bestemmer også hvor raskt de kjemiske reaksjonene skal gå. Energi er det som får ting til å skje Energi (E): Energi er det som får noe til å skje. Litt mer presist kan vi si at energi en evnen til å utføre et arbeid. Enheten for energi er joule, med symbolet J. Vi bruker også andre energienheter: Enheten kilowattime, kwh (1 kwh = 3,6 MJ) blir ofte brukt om elektrisk energi. Enheten kilokalori, kcal (1 kcal = 4,2 kj) blir ofte brukt om energi i mat. Energikjeder og energi overføring: Når vi varmer opp et hus med en solfanger, kan vi ved hjelp av en energikjede beskrive både hvor energien kommer fra, og hvor den blir overført. Et eksempel: sola solfanger energilager radiator bolig omgivelsene De fleste energikjeder starter i sola og ender i omgivelsene. Energi kan overføres ved arbeid eller ved varme. Varme (Q): Varme er energioverføring fra et sted til et annet som følge av en temperaturforskjell. Arbeid (W): Vi utfører et arbeid når krefter virker på en gjenstand slik at den beveger seg. Når en kraft (F) virker på en gjenstand som beveger seg i kraftretningen, utfører kraften et arbeid (W) på gjenstanden som er lik kraften multiplisert med forflytningen (s): Arbeid = kraft forflytning, W = F s F (kraft) s (forflytning) Energiform: Navnet på energiformen forteller oss i hvilken sammenheng vi finner energien. For eksempel er energiformen kjemisk energi knyttet til kjemiske forbindelser og kjemiske reaksjoner. Fett inneholder mye kjemisk energi. Når vi forbrenner fett, får vi dannet karbondioksidgass og vann. Disse forbindelsene inneholder mindre kjemisk energi enn fett. Kjemisk energi kan altså bli frigjort i kjemiske reaksjoner. Et annet eksempel er vannet i en foss. Vannet øverst i fossen har stillingsenergi. Når vannet faller, går denne stillingsenergien over til bevegelsesenergi. Til slutt treffer fossevannet vannmassene ved bunnen av fossen. Da går mesteparten av bevegelsesenergien over til varmeenergi. Varmeenergi er egentlig også en form for bevegelsesenergi vannmolekylene beveger seg fortere når temperaturen øker. E stilling = mgh E bevegelse = ½mv 2 T slutt >T start h Det finnes to hovedformer for energi: bevegelsesenergi og stillingsenergi. De andre energiformene (som kjemisk energi og varmeenergi) er egentlig kombinasjoner av bevegelsesenergi og stillingsenergi. Bevegelsesenergi: En gjenstand som beveger seg, har bevegelsesenergi. Bevegelsesenergi kaller vi også kinetisk energi. Vi kan beregne bevegelsesenergien til en gjenstand med massen m og farten v slik: E k = ½ mv 2 F
428 Stillingsenergi: Løfter vi en gjenstand, får den økt stillingsenergi. Vi utfører et arbeid på gjenstanden som får den til å forflytte seg i motsatt retning av tyngdekraften. Vi kan beregne stillingsenergien til en gjenstand med massen m når vi løfter den en høyde h fra et valgt nullnivå slik: E p = mgh, der g er tyngdeakselerasjonen på stedet (ofte setter vi g = 9,8 m/s 2 ). Stillingsenergi kaller vi også potensiell energi. Til hver form av potensiell energi hører det en kraft. Når vi utfører arbeid mot denne kraften, øker den potensielle energien. Kraften behøver ikke være tyngdekraften. Pil og bue har potensiell energi som er knyttet til den elastiske kraften i en spent bue. En elektrisk ladning i et kretsløp har en elektrisk potensiell energi som er knyttet til den elektriske kraften som virker på ladninger. Effekt (P): Når du er ute og sykler, overfører du energi ved arbeid. Sykler du den samme ruta, er arbeidet like stort enten du sykler fort eller sakte. Men du er mer effektiv hvis du sykler fort. Effekt er overført energi (arbeid eller varme) per tidsenhet. Effekt energi tid, P E t Enheten for effekt er watt, med symbolet W. Elektrisk energi knytter seg til elektriske ladninger i bevegelse Ladning (Q): Elektroner har en negativ elektrisk ladning. Protoner har en positiv elektrisk ladning. Ladninger påvirker hverandre med krefter. Gjenstander med samme ladning frastøter hverandre. Gjenstander med forskjellig ladning tiltrekker hverandre. Enheten for ladning er coulomb, med symbol. Strøm (I): Strøm er elektrisk ladning som beveger seg. I metaller er det elektroner som beveger seg når metallet leder strøm. Når en ladning (Q) passerer gjennom tverrsnittet av en ledning i tiden t, er strømmen (I) gitt ved: Q Strøm ladning, I tid t Vi måler strømmen i et elektrisk kretsløp med et amperemeter. Enheten for strøm er ampere, med symbol A. Spenning (U): I et batteri gjør de kjemiske stoffene i batteriet et arbeid på den elektriske ladningen (elektronene). Ladningen blir tilført elektrisk potensiell energi. Den elektriske potensielle energien batteriet har tilført (arbeidet) per ladning, kaller vi spenningen over batteriet. tilført elektriskpotensiell energi Spenning, U E ladning Q Når en vannmengde faller utfor en skrent i form av en foss, mister vannmassene stillingsenergi. Når en elektrisk ladning Q strømmer gjennom et apparat, mister ladningen elektrisk potensiell energi. Det kan vi måle som et spenningsfall. Vi måler spenning med et voltmeter. Enheten for spenning er volt, med symbol V. Motstand (R): Alle elektriske apparater har motstand. Motstand kaller vi også resistans. Motstanden er forholdet mellom spenningen (U) over apparatet og strømmen (I) gjennom apparatet: spenning Motstand R U strøm, I Enheten for motstand er ohm, med symbol Ω. Elektrisk effekt (P): Effekten (P) som blir om dannet i et elektrisk apparat, kan vi beregne når vi kjenner spenningsfallet (U) over apparatet og strømmen (I) gjennom det. Effekt = spenning strøm, P = U I Enheten for effekt er watt, med symbol W. Elektrisk energi: Kjenner vi effekten (P) til et apparat, kan vi regne ut hvor mye energi (E) apparatet bruker i tiden t: Energi = effekt tid, E = P t Ved parallellkopling av solceller beholder vi den samme spenningen, men effekten øker. Ved seriekopling av solceller øker spenningen. 51 V