Issuu

substitution

substitution alkylhalogenid substitution

alkan

substitution

kondensation alkohol

reduktion

eter

KE3 Reaktioner och energi

Typiska reaktioner för organiska föreningar

KEMI FÖR GYMNASIET

oxidation

KE3

oxidation alkylhalogenid

amin

aldehyd

reduktion

karboxylsyra

kondensation

hydrolys

kondensation

elimination addition

alkan

alkohol reduktion

oxidation

reduktion

amid

ester

oxidation

addition Keton

REAKTIONER OCH ENERGI

alkyn

ISBN 978-951-52-4100-9 K54

9 789515 241009

Schildts & Söderströms

Ari Koskinen Päivi Koskinen Hannele Hagström

Schildts & Söderströms www.sets.fi Fondernas samarbetsgrupp som består av Svenska kulturfonden, Svenska Folkskolans Vänner, Föreningen Konstsamfundet och Lisi Wahls stiftelse för studieunderstöd har beviljat ekonomiskt stöd för utgivningen av detta läromedel. Finska förlagans titel: Lukion kemia: KE3, Reaktiot ja energia Redaktör för den finska upplagan: Vuokko Lipponen Bildredaktör: Päivi Koskinen, Ari Koskinen och Vuokko Lipponen Redaktör för den svenska upplagan: Maria Palmén Förlagans layout: Sari Jeskanen Ombrytning: Tarja Heikkilä, Cosmograf och Jukka Iivarinen, Vitale Illustrationer: Ari Koskinen och Pertti Heikkilä, Cosmograf Första upplagan, 2017 © Ari Koskinen, Päivi Koskinen och Sanoma Pro Oy © 2017 Hannele Hagström och Schildts & Söderströms Kopieringsförbud Det här verket är en lärobok. Verket är skyddat av upphovsrättslagen (404/61). Det är förbjudet att fotokopiera, skanna eller på annat sätt digitalt kopiera det här verket eller delar av det utan tillstånd. Kontrollera om läroanstalten har gällande licenser för fotokopiering och digitala licenser. Mer information lämnas av Kopiosto rf www.kopiosto.fi. Det är förbjudet att ändra verket eller delar av det. ISBN 978-951-52- 4100-9

Innehållsförteckning I Kemisk reaktion

1 Kemi och energi............................................ 6 2 Reaktionslikhet........................................... 15 3 Gaser............................................................ 25 4 Beräkningar med reaktionslikheter......... 35 Visuell repetition 1....................................... 47

II Energiförändringar

5 Entalpi.......................................................... 49 6 Entropi och Gibbs energi........................... 69 7 Bränslen....................................................... 77 Visuell repetition 2....................................... 83

III Kemiska reaktioner

8 Vanliga kemiska reaktioner....................... 85 9 Organiska föreningars reaktioner............ 99 10 Reaktioner i praktiken............................. 123 Visuell repetition 3..................................... 142

Bilagor

144 Facit............................................................ 144 Register...................................................... 150 Bildrättigheter........................................... 151

8 Jaksollinen järjestelmä

Så använder du modulerna i Kemi för gymnasiet 3 Läroboken är indelad i tre avsnitt: i avsnitt I lär du dig hur man anger en reaktion med hjälp av symboler, hur man balanserar den och hur man räknar med den. Du lär dig vad man avser med oförstörbarheten hos massa och energi och om vad det innebär. I avsnitt II fördjupar du dig i energiförändringar som sker i kemiska reaktioner samt vilken inverkan de har. I avsnitt III bekantar du

Exempel

dig med karakteristiska reaktioner för oorganiska och organiska ämnen. Du fördjupar dig också i vilken betydelse kemiska reaktioner har i vår vardag och för fenomen inom miljö och teknologi. Det elektroniska materialet till Kemi för gymnasiet 3 kompletterar boken. Där hittar du ockå lösningar till uppgifterna och instruktioner för Vid en endoterm reaktion är energiinnehållet i reaktionsprodukterna experimentellt arbete. högre än i utgångsämnena. Det innebär att reaktionen kräver energi från omgivningen. Reaktionens entalpiförändring ∆H är alltså positiv.

E Exempel 25

I exempeluppgifterna presenteras alltid ett modellsvar och en förklaring. Med hjälp av dem kan du se hur enskil da kunskapselement förenas och tillämpas. De ger dig också teknisk handledning i hur man lägger upp ett svar.

Sönderfallet av kalciumkarbonat vid upphettning är ett exempel på en endoterm reaktion.

CaCO3(s)

o = +178 kJ mol-1 ∆Hc,298

CaO(s) + CO2(g)

Bland de förnybara energikällorna är solenergi och jordvärme de

De viktigaste reaktionerna fotosyntesen, eller är också mest populära, eftersom iman har tillgång tillassimileringen, dem hela tiden. Produktion endoterma. Reaktionerna får sinatt energi frånkonsumeras solljuset. av biomassa innebär alltid energi eftersom evighets

? Reflektera

maskiner inte kan existera. Vind och vattenkraft är geografiskt bundna och kan därför inte erbjuda energilösningar över hela jordklotet. Det

Hur skiljer sig en exoterm och en endoterm reaktion från varandra? största problemet med solenergi är ännu den otillräckliga verknings Ge exempel på båda.

graden hos solpaneler, liksom också det höga priset.

De här deluppgifterna hjälper dig att anknyta det du nyss lärt dig till ett större sammanhang. Reflektera uppgifterna lämpar sig väl som stöd för självständiga studier. I grupparbeten fungerar de som redskap när du ska tillämpa sakinnehållet.

Sönderfallet av kvicksilver(II)oxid vid temperaturen 25 oC har ett posiLavoisier bevisade lagen om Ö V N I N G S U P P G I F T E R tivt ∆H-värde, dvs. reaktionen är endoterm. materians oförstörbarhet med sönderfallet av kvicksilveroxid.

BFör Basuppgifter att få den värme som

behövdes för reaktionen riktade han med hjälp av ett förstoringsglas solljus mot fast kvicksilveroxid, HgO(s) i ett slutet kärl.

Övningsuppgifter

G Grupparbeten

Grupparbeten och forskningsuppgifter

• uppmuntrar dig till samarbete och problemlösning • lär dig att använda olika kunskapskällor • är oberoende av inlärningsmiljön • lär dig argumentera då du utvärderar information Visuell Visuellrepetition repetition Visuell repetition ∆H∆r H=r H=reaktionsprodukter − H−utgångsämnen Entalpi Hreaktionsprodukter Hutgångsämnen Entalpi

Inre energi Inre energi Molekylers rörelse Molekylers rörelse

translation translation

vibration vibration

rotation rotation

system system system system

värme värme värme värme

∆H ∆ <H 0∆<H 0∆ <H 0<0 exoterm exoterm exoterm exoterm

intramolekylära intramolekylära krafter krafter ––

+ –

––

–

endoterm endoterm produkter produkter

utgångsämnen utgångsämnen

–

Hess laglag Hess

∆ H∆ < H0 < 0 produkter produkter

framskridande reaktion framskridande reaktion

Entalpi, H Entalpi, H

–

∆H∆ > H0 > 0

utgångsämnen utgångsämnen

framskridande reaktion framskridande reaktion

C(grafit) + O2+(g) C(grafit) O2(g)

Entalpi

CO(g) + ½ +O½ CO(g) O2(g) 2(g)

Entalpi

∆H1∆H = ?1 = ?

Entropi Entropi ∆H3∆H = –393,5 kJ kJ 3 = –393,5

= –283,0 kJ kJ ∆H2∆H 2 = –283,0 CO2CO (g) 2(g)

uppvärmning uppvärmning

grammen. I en exoterm process är produktens entalpi lägre än utgångsämnets entalpi. För en endoterm process gäller det motsatta.

FORSKNING

Energiförändringar

A Arbete 11

Från sugrör och hallonsaft till solpanel Arbetet går ut på att tillverka en fungerande solcell av ett vanligt sugrör genom att utnyttja hallonsaftens egenskap att absorbera ljus.

A Arbete 12

Framställning av biodiesel från rybsolja Arbetet går ut på att framställa biodiesel av växtolja genom en transförestringsreaktion.

Energiförändringar

Experimentella inslag

Instruktioner till experimenten hittar du alltid direkt efter det kapitel där ett aktuellt fenomen behandlas. Arbets beskrivningarna är inte nödvändigtvis färdiga recept. Kemin är en experimentell naturvetenskap med ett forskarperspektiv. De här experimenten introducerar dig till detta för hållningssätt. I det elektroniska materialet finns mera detaljerad infor mation om säkerhet i experimentellt arbete och om hur avfall bör behandlas. Där hittar du också tilläggsuppgifter som hjälper dig att förstå fenomenet som arbetet går ut på.

∆H ∆ >H 0∆>H 0∆ >H 0>0 endoterm endoterm endoterm endoterm

exoterm exoterm

intermolekylära intermolekylära krafter krafter

∆H(25 oC) = +181,7 kJ/mol

G4. Olja och stenkol kan förbrännas i villor eller husbolag för att värma upp exoterm endoterm hemmen. De kan också förbrännas i kraftverk för att producera elektricitet som kan användas för uppvärmning. Jämför fördelar och nackdelar hos oljevärmning och elvärmning. produkter utgångsämnen G5. Jämför hur användbara olika bränslen är för varierande ändamål. Vilka lämpar sig för uppvärmning, vilka för belysning? Vilka kan ∆H < 0 ∆H > 0 användas som bränsle inom trafik? G6. Hur påverkas användbarheten av olika energislag av det geografiska läget? produkter utgångsämnen G7. Vilka globala samhälleliga faktorer påverkar tillgängligheten, användbarheten och priset på olikaframskridande energiformer? reaktion framskridande reaktion

Basuppgifter

• omfattar kärnan i kapitlet • är till sin karaktär definierande, klassificerande och tolkande • förutsätter att du kombinerar och tillämpar modulerna i kapitlet • är till sin karaktär urskiljande, utvärderande och tillämpande

2 Hg(l) + O2(g)

71. Kerosin används som bränsle för jetmotorer ioflygplan. Kerosin består till ∆H(25 C) = +90,8 kJ/mol HgO(s) Hg(l) + ½ O2(g) största delen av alkaner med 6–16 kolatomer. a. Bestäm energitätheten per massenhet för kerosin då man antar att det i medeltal motsvarar molekylformeln C10H22. För kerosin gäller Entalpidiagram –1 –1 ∆Hoc = –6779 kan kJ mol och M = 142,28 g molmed . Entalpiförändringar åskådliggöras grafiskt hjälp av entalpib. Startmassan för ett Boeing 747-plan är ca 300 ton, varav bränslet diagram. Absoluta entalpivärden är liksom värden för inre energi inte utgör ca 100 ton. Hur mycket användbar energi innehåller denna mätbara. Därför jämförs entalpiskillnaderna mellan två tillstånd i diabränslemängd?

Entalpi, H

Övningsuppgifterna är utarbetade så att lösningarna till dem både ger övning i kunskapsinnehållet och vägleder dig i att producera mångsidiga svar. De ger handledning i hur du ska använda olika kunskapskällor och upp muntrar till interaktivitet. Uppgifterna är indelade i flera olika kategorier enligt kravnivå och enligt hur svaren ska läggas upp.

2HgO (s)

Eftersom entalpier och entalpiförändringar beroende av 70. Bestäm energitätheten per massenhet ochärvolymenhet försubstanspropan. –1 HgO(s) en entalpiförändring mängder mol Förinnebär propan sönderdelningen gäller ∆Hoc = –2202av kJ1mol , ρ = 0,493 g cm–3 och som ärMhälften = 44,10avg värdet mol–1. på entalpiförändringen i föregående reaktion.

Entalpi, H

Reflektera

uppvärmning uppvärmning

Visuell repetition

• samlar innehållet i varje avsnitt till en visuell helhet • fungerar som ett repetitionsverktyg • bidrar till att förena de olika sakinnehållen till en helhet

I KEMISK REAKTION 1 Kemi och energi 2 Reaktionslikhet 3 Gaser 4 Beräkningar med reaktionslikheter

I dag känner man till 118 grundämnen och att de ger upphov till över 125 miljoner kemiska föreningar. Kemiska föreningar omvandlas till andra i kemiska reaktioner. Reaktionerna beskrivs med reaktionslikheter, ur vilka det framgår vilka ämnen som reagerar med varandra och vilka nya produkter som då bildas. Reaktionslikheten berättar också i vilka proportioner utgångsämnen behövs och produkter bildas. En del reaktioner sker i gasfas. Enskilda gaser uppför sig i många avseenden på liknande sätt oberoende av vilken förening det är fråga om. Genom beräkningar kan man beskriva såväl reaktioner som sker i lösningar som i gasfas.

Kemin skapar sina egna forskningsobjekt. Denna kreativa egenskap, som är gemensam med konst, skiljer kemin från de övriga naturvetenskaperna. Marcellin Berthelot 1860

I det här avsnittet bekantar vi oss med olika sätt att ange en kemisk reaktion och med de beräkningar som behövs för att uppskatta vad som sker i en reaktion.

1 Kemisk reaktion

1 Kemi och energi !

Kapitlets innehåll

• Energi • Kemisk reaktion • Kemisk syntes • Den kemiska industrin

➜ Du känner redan till …

Nu studerar du …

• hur en kemist använder det

• lagbundenheter mellan

periodiska systemet som ett verktyg. Strukturer för kemiska bindningar är också bekanta för dig och du klarar av att identifie ra olika organiska strukturer.

• Du behärskar en del arbets metoder inom experimentell kemi.

Kemisk reaktion

reaktioner och energi.

• Du bekantar dig med hur man industriellt framställer kemiska föreningar.

Senare studerar du …

➜

• hur man balanserar en kemisk reaktionslikhet. Du lär dig också räknemetoder som tillämpas för kemiska reaktioner.

• kemisk termodynamik och kinetik.

Energi Stenkol 30 % Olja 33 %

Naturgas 24 % 7 % 4 %2 % Vattenkraft

Kärnkraft

Förnybara

Olika energikällors andel av världens energikonsumtion år 2014.

Största delen av den energi som används i vår värld fås genom förbränning av organiska föreningar. Vattenkraftens andel är ca 7 % och kärnkraftens ca 4 % medan de förnybara energikällornas andel ligger under 3 %. Resten av energin, ungefär 85 %, fås genom förbränning av komplexa föreningar i trä och av kolväten som förekommer i naturgas, stenkol, råolja och övriga fossila bränslen. De kallas fossila bränslen för att de har bildats under miljontals år när organiskt stoff från växt- och djurriket brutits ner. Solljuset har varit den primära energikällan för uppkomsten av fossila bränslen, eftersom kolhydrater framställs av assimilerande växter genom fotosyntesen. Fossila bränslen är en sinande naturresurs: när förråden på jordklotet konsumerats bildas det inte nytt material inom en skälig tidsperiod.

Energi från fossila bränslen

Avgaserna från en bil som är utrustad med en modern bensinmotor består till största delen av vatten och kol dioxid. En ofullständig förbränning ger upphov till mikropartiklar, kolmonoxid och kolväten.

Förbränning av trä och fossila bränslen innebär ett flertal fördelar: metoderna för förbränningen av dem samt hur man tar tillvara energin som bildas är bekanta sedan århundraden tillbaka. Förbränningsprodukterna (koldioxid och vatten) är relativt ofarliga så länge man ser till att det finns tillräckligt med syre vid förbränningen. En del fossila bränslen innehåller avsevärda mängder svavel, som vid förbränning ger upphov till svaveltrioxid. Luftens kväve oxideras också och då bildas kvävets oxider. Svavlets och kvävets oxider reagerar med vattnet i luften och bildar då motsvarande syror, som förorsakar sura regn. Koldioxid och vatten är inte heller helt ofarliga utan fungerar även de som betydande växthusgaser. När bensin förbränns i en tillräcklig luftmängd består förbränningsprodukterna av koldioxid och vatten. Samtidigt frigörs ungefär 40 MJ energi för varje förbränd bensinliter. Den energimängden motsvarar det arbete som behövs för att en vanlig bil ska röra sig ungefär 10–15 km. Förbränning är en oxidation där energi frigörs. Reaktionen som sker när ett ämne brinner förknippas med en låga. Föreningar som vid förbränning frigör mycket energi kan användas som bränslen.

1 Kemi och energi

Olika energiformer

Brinnande metanhydrat. Föreningen förekommer i de arktiska områdenas permafrost upp till 3000 gånger mera allmänt än i atmosfären. Som energi källa är den ändå utmanande eftersom även små mängder utsläpp ökar växthusgasernas mängd.

Du har hört talas om många olika energiformer: värme, ljus, kemisk energi, kärnkraft osv. I själva verket finns det endast två slag av energi: kinetisk energi och potentiell energi. En kropp som befinner sig i rörelse har rörelseenergi, dvs. kinetisk energi. Den energin motsvarar det arbete som kroppen kan utföra innan den återtar sitt viloläge. Potentiell energi är den energi en kropp har beroende på sitt läge eller beroende på hur dess beståndsdelar är organiserade. Kinetisk energi kan iakttas som värme när atomer och molekyler befinner sig i rörelse. Den energi som finns bunden i kemiska strukturer är potentiell energi och beror på hur atomerna och molekylerna är belägna i förhållande till varandra. All materia har med andra ord potentiell energi som beror på partiklarnas läge i förhållande till varandra eller till omgivningen. När ett ämne övergår i ett nytt tillstånd, såsom till ett annat aggregationstillstånd eller kemiskt till en ny förening, innebär det att partiklarnas lägen ändras och därför ändrar också den potentiella energin.

ENERGI

POTENTIELL ENERGI

KINETISK ENERGI

energi som lagrats i strukturen

som uppkommer vid rörelse

KEMISK ENERGI

VÄRME ämnets inre energi / vibrationen hos atomer och molekyler

energi som binds i kemiska bindningar

KÄRNKRAFT energi som binds i atomkärnan

LAGRAD MEKANISK ENERGI t.ex. en spänd båge

GRAVITATIONSENERGI energi som ett ämne har beroende på sitt läge

STRÅLNINGSENERGI energi hos elektromagnetisk strålning RÖRELSE t.ex. vind och vattenkraft LJUD rörelse hos tryckvågor ELEKTRISK ENERGI elektroners rörelse

När sockret i vår föda förbränns frigörs mycket energi, som vår kropp kan använda t.ex. för att utföra muskelarbete.

Kemisk reaktion

Inom termokemin eller den kemiska termodynamiken undersöker man energiförändringar som sker i samband med kemiska reaktioner. Energi kan omvandlas från en form till en annan: med hjälp av elektricitet kan man producera värme. Vår kropp omvandlar energin i de kemiska bindningarna i föda till andra energiformer. Enligt termo dynamikens första huvudsats kan energi omvandlas från en form till en annan men inte skapas eller förstöras.

Kemisk reaktion

Fransmannen Marcellin Berthelot kungjorde att kemin är en naturveten skap som själv skapar sina forsknings objekt.

Kemin är en naturvetenskap som undersöker ämnens sammansättning, struktur och egenskaper samt hur de omvandlas till varandra. I gymnasiets första kemikurs har du redan bekantat dig med strukturen hos kemiska föreningar: grundämnen och bindningar mellan dem. Detta delområde inom kemi kallas för strukturkemi och är av stor betydelse när vi vill förstå och utveckla egenskaperna hos nya material. I den andra kursen bekantade du dig med kolföreningarna och livets kemi. Du lärde dig också att varje funktionell grupp uppvisar för den karakteristiska kemiska egenskaper. Kolföreningarnas kemi är av stor betydelse när man utvecklar föreningar med nya egenskaper. I den här kursen bekantar vi oss med det mest karakteristiska för denna vetenskap, nämligen den kemiska reaktionen. I kemiska reaktioner omvandlas ämnen till andra: nätverket av bindningar mellan atomer förändras och de ämnen som bildas har ofta till och med helt avvikande egenskaper jämfört med de ursprungliga föreningarna. En kemisk reaktion inträffar bara när utgångsämnenas partiklar kolliderar med varandra med tillräckligt stor kraft. Kollisionen måste dessutom ske i en lämplig infallsvinkel i förhållande till reaktionscentret för den aktuella atomen, molekylen eller jonen. Kemiska reaktioner sker hela tiden och överallt. I varje cell äger kemiska reaktioner rum oavbrutet. I de assimilerande växternas kloroplaster bildas det glukos av vatten och koldioxid under inverkan av solljus. För att cellerna ska kunna förnya sig behövs det proteiner, lipider och andra byggstenar – sådana bildas kontinuerligt i cellerna i upp till tusentals mycket effektiva enzymreaktioner. Detoneringen hos ett sprängämne inträffar mycket snabbt, medan det kan ta veckor eller månader för en spik att rosta. I båda fallen sker en liknande reaktion, en oxidation. Reaktionerna sker ändå med mycket olika hastigheter. Hastigheten för en kemisk reaktion beror på energi, och i det här kapitlet kommer vi att bekanta oss med sådana energiförändringar.

På 1600-talet hävdade den irländsk- engelska kemisten Robert Boyle att ett ämne består av atomer och atom grupper, som befinner sig i rörelse och som förvandlas till nya ämnen när de kolliderar med varandra.

1 Kemi och energi

Kemisk reaktion och energi Ibland verkar det som om en kemisk reaktion skulle ske av sig själv. När man lämnar en järnspik utomhus börjar den småningom rosta utan att du behöver ingripa. Vi säger att det är en spontan reaktion när en spik rostar. Sådana reaktioner startar av sig själva under rådande förhållanden och karakteriseras av att energi frigörs. Inte ens närapå alla reaktioner sker av sig själva. Det är praktiskt ur vår synpunkt eftersom vi då kan reglera när reaktionerna sker och hur snabbt det går. Vi vill t.ex. inte att ett ljus börjar brinna spontant av sig självt! Låt oss undersöka kemin som pågår då ett ljus brinner.

Kemiska bindningar innehåller energi En järnspik rostar i en kemisk reaktion mellan järn, vatten och luftens syre.

Vaxet i ett ljus består av långa kolvätekedjor. När du tänder ett ljus reagerar vaxet med luftens syre. Reaktionen sker i ljusets låga och kolvätena oxideras fullständigt, dvs. förbränns till koldioxid och vatten. Samtidigt frigör reaktionen värme, dvs. energi. Vaxmolekylernas C–C och C–H bindningar bryts och nya C=O och H–O bindningar bildas. Ljuset tänds inte av sig självt - för att det ska börja brinna krävs en hög temperatur. I kemiska reaktioner sker det alltid energiförändringar i och med att bindningar bryts och bildas. Reaktionerna kan antingen frigöra eller binda energi.

När ett ljus brinner förbränns vaxmolekylerna i den och energi frigörs. Det kan iakttas som värme och ljus.

Den energi som behövs för att sätta igång en kemisk reaktion kallas för aktiveringsenergi. Aktiveringsenergin kan regleras t.ex. genom en katalyt eller en inhibi tor. Med hjälp av dem kan man antingen få reaktionen att ske snabbare eller långsammare. Kinetik är ett delområde inom kemi där kemiska reaktioners hastighet undersöks både experimentellt och med hjälp av matematiska modeller.

? Reflektera Ge exempel på situationer där man antingen önskar försnabba en kemisk reaktion eller bromsa upp den.

Kemisk reaktion

Kemisk syntes

Jäsningsprocessen eller fermentatio nen är ett användbart sätt att fram ställa ett flertal läkemedel. I bilden utnyttjas en genetiskt modifierad bakterie för produktion av ett läke medelsprotein.

Även människan har upptäckt hur man omvandlar ämnen till andra genom kemiska reaktioner. Det här sättet att tillverka kemiska föreningar kallade den tyske kemisten Herman Kolbe för syntes. Alkoholjäsning torde vara den äldsta kända kemiska reaktion som människan har utnyttjat. I processen fermenteras socker till etanol med hjälp av lämpliga enzym. Kemiska reaktioner kan ske i samtliga aggregationstillstånd. Föregående reaktion var ett exempel på en reaktion som sker i en lösning. I en sådan är de reagerande partiklarna upplösta i ett flytande lösningsmedel. Reaktionerna hos CFC-föreningarna, som förstör atmosfärens ozonlager (Ke2 Människans kemi och kemin i livsmiljön, s. 60–61) är exempel på reaktioner som sker i gasfas. Också i det fasta tillståndet och på gränsytan av olika aggregationstillstånd kan kemiska reaktioner äga rum. Järn som rostar är ett exempel på en reaktion där järnet i sitt fasta tillstånd reagerar med luftens syre och vatten och bildar rost.

D Demonstration Skär upp en flik av en kopparskiva och sänk den i en lösning som innehåller Ag+-joner. Vad tror du kommer att hända? Vilken kemisk reaktion är det fråga om?

Den kemiska industrin

Pecunia non olet – pengar luktar inte, sade Roms kejsare Vespasius när han beslöt att börja beskatta användning av urea vid blekning av tyg.

Ännu i början av 1700-talet blekte man tyg genom att fukta dem med antingen urin eller sur mjölk och låta dem torka i solljus. I medlet av 1700-talet lärde man sig tillverka svavelsyra som ersatte urea och då kunde tygerna blekas med betydligt mindre luktproblem. Under 1800talet utvecklades den kemiska industrin med accelererande fart. Numera är den kemiska industrin en av de största industrigrenarna i hela världen. Kemiskt tillverkas stora mängder bränslen för såväl energiproduktion, trafikbruk som för hushåll. Vidare produceras specialkemikalier såsom plaster, målarfärger, limprodukter samt finkemikalier såsom läkemedel, med kemiska metoder.

1 Kemi och energi

? Reflektera Sök exempel på hur kemiindustrin inverkade på den industriella revolutionen.

Inom den kemiska industrin produceras många olika kemikalier ut gående från lättillgängliga och förmånliga råvaror såsom råolja, naturgas, mineral, metaller, salter och vatten. I Europa verkar ca 29 000 företag inom den kemiska industrin med totalt 1,2 miljoner anställda. I världsomfattande skala producerar den kemiska industrin över 70 000 olika kemikalier som råvaror för övriga industrigrenar.

Gruvindustrin förser oss med metaller och råvaror för metallsalter.

Kemisk reaktion

baskemikalier

finkemikalier

specialkemikalier

rena ämnen

blandningar

produktionsvolym

stora mängder

mindre mängder varierar

pris

billiga

dyra

varierar

exempel

lösningsmedel, monomerer

läkemedel, doftämnen, aromämnen

limprodukter, målarfärger och ytbehandlings produkter, polymerer

Inom den kemiska industrin har man som mål att av så billiga råvaror som möjligt förädla dyrare produkter. Råvarorna för oorganiska produkter, metaller och metallsalter, fås främst från gruvindustrin. Den världsomfattande försäljningen inom den kemiska industrin uppgick år 2014 till 3 200 miljarder €. Det största enskilda marknadsområdet var Kina (1 100 mrd €), nästan lika stort som hela Europa (650 mrd €) och USA (530 mrd €) tillsammans. I Finland omfattar verksamheten förutom kemisk baskemikalie industri också olje-, gas- och petroleumindustri. Utöver dem bör ännu branscher som läkemedelsindustri, gummi- och plastindustri, kosmetik- och tvättmedelsproduktion samt målarfärgsindustri nämnas. Sammanlagt sysselsätter den kemiska industrin 34 000 personer i Finland. Exportvärdet för den kemiska industrin i Finland uppgår till 10 miljarder euro, som är 15% av landets hela exportvärde.

ÖVNINGSUPPGIFTER B Basuppgifter 1. Vilka av följande är exempel på kemiska reaktioner? a. en silversked får en mörk beläggning b. en vetedeg jäser c. brytning av malm d. diskning för hand med tvättmedel e. glasblåsning 2. Hur kan man se att det sker en kemisk reaktion när a. du värmer en vedbastu b. du tillverkar en sås på malet kött c. du målar väggarna i ditt rum? 3. Fundera på varför kemiska reaktioner inte kan ske utan a. att de reagerande ämnena kolliderar med varandra b. uppvärmning c. tid. 4. I vilka olika former kan kinetisk energi förekomma? Ge exempel. 5. Förklara termodynamikens första huvudsats. 6. Vad avses med en spontan reaktion? Ge ett exempel. 7. Vilka av följande är spontana processer? Motivera. a. Salt löser sig i vatten. b. Man destillerar dricksvatten från havsvatten. c. Man bär en låda till andra våningen. d. Parfymdoft blandar sig med luften i ett rum. 8. Grafit är beständigare än diamant. Varför kan man ändå säga att diamanter är eviga?

Informationssökning I1. Sök exempel på enzymreaktioner där det frigörs energi. Redogör för vilken betydelse sådana reaktioner har för levande celler eller organismer. I2. Sök exempel på enzymreaktioner där det binds energi. Redogör för vilken betydelse sådana reaktioner har för levande celler eller organismer. I3. Undersök som grupparbete de internationellt största företagen inom någon av kemiindustrins branscher. Som markörer för jämförelsen används storleken på företagets omsättning, antal anställda samt dess forsknings- och produktutvecklingskostnader.

1 Kemi och energi

G Grupparbeten G1. Ta reda på för vilket annat ändamål preussiskt blått kan användas förutom som pigment. G2. Bekanta er med något företag inom den kemiska industrin i Finland. Gör en presentation (poster, informationssnutt eller ett samman fattande reklamblad) över företagets verksamhet: affärsverksamhet, forskning och produktutveckling samt marknadsföring. G3. Ta fram exempel på inhemska industriföretag i vilka man tillämpar kemisk syntes för framställning av produkter.

FORSKNING A Arbete 1

Tillverkning av pigmentet preussisk blå Vi tillverkar ett färgämne som kallas preussisk blå. Följande reaktionslikhet beskriver hur färgämnet blir till: 4 FeCl3 + 3 K4[Fe(CN)6] → Fe4[Fe(CN)6]3 + 12 KCl 1. Tillverka lösningar av FeCl3 och K4[Fe(CN)6] enligt separat instruktion. 2. Kombinera 5 ml av vardera lösningen i ett provrör. 3. Filtrera den fällning som bildas. 4. Torka fällningen. Torr preussisk blå kan användas som vattenfärg.

Kemisk reaktion

2 Reaktionslikhet !

Kapitlets innehåll

• Kemins symbolspråk • Reaktionslikhet • Lagar som ledde till att atomteorin accepterades • Balansering av en reaktionslikhet • Ämnesbalans

➜ Du känner redan till …

• hur man bestämmer substansmängden och förstår att energiförändringar hör ihop med kemiska reaktioner.

Nu studerar du …

• lagbundenheter som styr balanseringen av en kemisk reaktion, dvs. basbegrepp inom stökiömetri.

Senare studerar du …

➜

• hur man utför olika beräkningar i anslutning till kemiska reaktioner.

2 Reaktionslikhet

Kemins symbolspråk

John Daltons kemiska atomsymbo ler och atommassor från år 1808.

Grunderna för kemins symbolspråk är redan bekanta för dig. Varje känt grundämne har sitt karakteristiska namn. Medan engelsmannen John Dalton år 1808 presenterade de 36 grundämnen han kände till med symboler som också alkemisterna kände till, hävdade den svenske kemisten Jöns Jacob Berzelius att man i stället för de långa kemiska namnen för varje grundämne skulle använda en kortare bokstavssymbol som består av en eller två bokstäver. Genom att kombinera bokstavssymbolerna kan man presentera den kemiska formeln för en förening. Den anger vilka grundämnen föreningen innehåller liksom också proportionella andelar av de olika grundämnena. Du kommer ihåg att det finns flera typer av kemiska formler som var och en har sitt specifika informationsinnehåll. Proportionsformeln eller den empiriska formeln anger förhållandet mellan antalet grund ämnesatomer i en förening. Förening x har proportionsformeln (C2H4O)n, som är densamma som föreningen y har. Genom masspektroskopisk mätning får vi molmassan 88 för förening x och 132 för y. Då kan vi sluta oss till att molekylformeln för x är C4H8O2 och för y C6H12O3.

E Exempel 1 Vilken är den relativa molekylmassan för svavelsyra? Lösning: Mr(H2SO4) = 2 · Ar(H) + Ar(S) + 4·Ar(O) = 2 · 1,008 + 32,07 + 4 · 16,00 = 98,086

O O OH O O O OH

Isomerer som motsvarar formeln C4H8O.

Kemisk reaktion

Du kommer ihåg från Ke2 Människans kemi och kemin i livsmiljön att man numera känner till över 125 miljoner olika kemiska föreningar. Det är med andra ord inte alls ovanligt att flera kemiska föreningar har samma molekylformel. Detta fenomen har du också stött på i samma bok i samband med olika former av isomeri. Därför känner man till fem olika hexanisomerer, alla med molekylformeln C6H14. En större molekylformel skulle innebära ett ännu större antal olika isomerer. Det betyder att det ännu finns ett stort antal oupptäckta molekyler!

Reaktionslikhet Beteckningar för aggregationstillstånd: (g) = gas = gas (l) = liquid = vätska (s) = solid = fast ämne (aq) = aqueous = vattenlösning

En kemisk reaktion presenteras i form av en reaktionslikhet. Ur den framgår vilka ämnen som reagerar med varandra, dvs. utgångsämnena (reaktanterna) och vilka ämnen som bildas i reaktionen, dvs. reaktions produkterna. Reaktionslikheten anger också i vilka proportioner utgångsämnena behövs och produkterna bildas. Utgångsämnena anges på den vänstra sidan i reaktionslikheten och produkterna på den högra. I en fullständig reaktionslikhet anges aggregationstillståndet för varje ämne efter dess kemiska formel. Mellan utgångsämnena och reaktionsprodukterna finns en reaktionspil. utgångsämnen → produkter

E Exempel 2 Förbränningsreaktionen för butan anges med följande reaktionslikhet:

utgångsämnen 2 C4H10(g) + 13 O2(g)

reaktionspil

produkter 8 CO2(g) + 10 H2O(l)

koefficienterna i reaktionslikheten anger förhållandet mellan substansmängderna aggregationstillståndet anges inom parentes

Pilbeteckningar reaktionspil mellan utgångsämnen och produkter jämviktspil i en jämviktsreaktion en resonanspil skiljer mellan de olika resonansgränsformerna

I likhet med förkortningarna för kemiska föreningar är också pilbeteckningarna entydigt bestämda. Använd alltid korrekt pilbeteckning.

Reaktionslikheter kan behandlas som algebraiska ekvationer: termer kan förkortas om de förekommer på båda sidorna i likheten. Likhetens termer kan adderas och subtraheras på båda sidor om likhetstecknet. Reaktionslikheten berättar endast i vilket substansmängds- eller molförhållande det bildas produkter av utgångsämnena. En reaktionslikhet anger inte hur reaktionen sker (reaktionsmekanismen), inte heller hur snabbt den sker (kinetik). Inte heller berättar en reaktionslikhet om det frigörs eller binds energi i reaktionen (om reaktionen är exoterm eller endoterm). Reaktionslikheten säger ingenting om ifall reaktionen sker fullständigt, dvs. om det i slutläget ännu finns kvar av något utgångsämne. Reaktionslikhetens betydelse för en kemist är densamma som receptets för en kock. Den anger vilka mängder av ämnen som behövs och ger tips på hur experimentet bäst ska utföras. Det praktiska laboratoriearbetet måste man ändå själv lära sig för hand.

2 Reaktionslikhet

Lagar som ledde till att atomteorin accepterades syre

väte

vatten

2 2g

2 18 g

+ 32 g

= 36 g

En reaktionslikhet anger alltså vilka utgångsämnen som omvandlas till produkter i en reaktion. Om det finns flera utgångsämnen i en reaktion reagerar de sällan i lika förhållanden. Förhållandet mellan antalet reagerande partiklar följer viktiga lagbundenheter. De tre viktigaste lagarna som ledde till att atomteorin accepterades var lagen om materians oförstörbarhet, lagen om konstanta förhållanden och lagen om multipla massproportioner (dvs. Daltons lag).

Lagen om materians oförstörbarhet

! Vi kan ange följande definition: i naturföreteelser uppkommer ingenting nytt; samma mäng der av ämnen finns både före och efter försöket. All kunskap om kemiska experiment bygger på denna princip. Lavoisier, Traité élémentaire de Chimie, 1789

Den mest betydelsefulla lagbundenheten för kemiska reaktioner är lagen om materians oförstörbarhet. Antoine Lavoisier iakttog år 1789 att materia varken försvinner eller bildas i en kemisk reaktion. I en reaktion omvandlas kemiska föreningar till nya ämnen men efter reaktionen finns det lika många atomer av vart atomslag som det fanns i början. En reaktionslikhet måste alltså vara i jämvikt. På båda sidorna om likheten måste det finnas samma antal likadana grundämnesatomer. Utgående från denna lag kan vi balansera en reaktionslikhet.

Lagen om konstanta förhållanden Joseph Proust upptäckte cirka år 1800 att grundämena i kemiska före ningar alltid förekommer i exakt samma proportioner.

Lagen om multipla proportioner John Dalton upptäckte år 1808 att om två grundämnen bildar flera olika föreningar med varandra, binds grundämnena till varandra så att deras massor förhåller sig till varandra som enkla heltal.

Kemisk reaktion

Balansering av en reaktionslikhet Enligt lagen om materians oförstörbarhet finns det lika många atomer av vart slag på båda sidorna i en reaktionslikhet. I en balanserad eller stökiömetrisk reaktionslikhet (från grekiskans στοιχεῖον, stoikheion, medlem i en rad, grund; μέτρον, métron, mått) framgår det här av den koefficient som anges framför varje ämne som deltar i reaktionslikheten. Den anger antalet atomer, joner eller molekyler i de reagerande partiklarna som deltar i reaktionen. Kom alltså ihåg att de stökiömetriska koefficienterna anger substansmängdernas proportioner, inte förhållandet mellan massorna.

E Exempel 3 Svavelsyra H2SO4 är en stark syra. Den kan neutraliseras med en stark bas såsom natriumhydroxid NaOH. Ange den balanserade reaktionslikheten för neutralisation av svavelsyra. Lösning: Först kan reaktionslikheten skrivas utan koefficienter: Na2SO4(aq) + H2O(l) H2SO4(aq) + NaOH(aq) Vi räknar först hur många atomer det finns på vardera sidan i reaktionslikheten:

H2SO4(aq) + NaOH(aq) H=3 O=5

Na = 1 S=1

Na2SO4(aq) + H2O(l) H=2 O=5

Na = 2 S=1

På högra sidan finns två natrium medan det på vänstra sidan finns bara en. Vi multiplicerar NaOH med två.

H2SO4(aq) + 2 NaOH(aq) H=4 O=6

Na = 2 S=1

Na2SO4(aq) + H2O(l) H=2 O=5

Na = 2 S=1

Nu behöver vi två väte på högra sidan och ytterligare en syreatom. Vi multiplicerar H2O med två.

H2SO4(aq) + 2 NaOH(aq) H=4 O=6

Na = 2 S=1

Na2SO4(aq) + 2 H2O(l) H=4 O=6

Na = 2 S=1

Nu har vi lika många atomer av varje atomslag på båda sidorna i reaktionslikheten. Svar:

H2SO4(aq) + 2 NaOH(aq)

Na2SO4(aq) + 2 H2O(l) 2 Reaktionslikhet

E Exempel 4 Balansera reaktionslikheten för fullständig förbränning av etan. CO2(g) + H2O(g) C2H6(g) + O2(g) Lösning: Vi räknar först hur många atomer av varje grundämne det finns på båda sidorna i reaktionslikheten:

C2H6(g) + O2(g)

CO2(g) + H2O(g)

C=2 H=6 O=2

H=2 C=1 O=3

På vänster sida finns det två kol medan det på höger sida finns bara en. Det behövs också sex väte på höger sida. Vi multiplicerar alltså CO2 med två och H2O med tre.

C2H6(g) + O2(g)

2 CO2(g) + 3 H2O(g)

C=2 H=6 O=2

C=2 H=6 O=7

Nu finns det sju syreatomer till höger och två till vänster. Multiplicera O2 med talet 3½.

C2H6(g) + 3½ O2(g)

2 CO2(g) + 3 H2O(g)

C=2 H=6 O=7

I en balanserad reaktionslikhet bör koefficienterna vara heltal. Alltså multiplicerar vi båda sidorna med två. Den balanserade reaktionslikheten blir då: 2 C2H6(g) + 7 O2(g) 4 CO2(g) + 6 H2O(g)

Beräkning av mängden produkt 1. Ange reaktionslikheten och balansera den.

2. Bestäm utgångsämnets mängd i mol.

3. Beräkna med hjälp av den balanserade reaktionslikhetens koefficienter hur många mol det bildas av produkten.

4. Bestäm produktens massa.

Kemisk reaktion

Ämnesbalans Lagen om materiens oförstörbarhet har en ytterst viktig följd för experimentell kemi: i en reaktionslikhet måste massan för produkterna vara densamma som summan av massan för utgångsämnena. Under en reaktions förlopp och speciellt under en reaktionsseries förlopp följs utvecklingen av nämnda massa upp med hjälp av massbalansen. Med hjälp av en balanserad reaktion kan du alltså lätt räkna ut hur mycket produkt det bildas av en given mängd utgångsämne. 1. Ange reaktionslikheten och balansera den. 2. Bestäm utgångsämnets mängd i mol. 3. Beräkna med hjälp av den balanserade reaktionslikhetens koefficienter hur många mol det bildas av produkten. 4. Produktens massa kan bestämmas med hjälp av den substansmängd du räknat ut.

E Exempel 5 Bestäm hur många gram järn(III)oxid det bildas när man förbränner 28 g järn i luft. Lösning: 1. Ange den balanserade reaktionslikheten.

Fe(s) + O2(g)

Fe2O3(s)

Fe = 1 O=2

Fe = 2 O=3

På höger sida finns två järn och tre syre medan det på vänster sida finns bara ett järn och två syre. Multiplicera Fe med två och O2 med talet 3/2.

2 Fe(s) + 3/2 O2(g)

Fe2O3(s)

Fe = 2 O=3

I en balanserad reaktionslikhet bör koefficienterna vara heltal så vi multiplicerar båda sidorna med två. Den balanserade reaktions likheten är alltså:

4 Fe(s) + 3 O2(g)

2 Fe2O3(s)

Fe = 4 O=6

2. Beräkna utgångsämnets (järn) mängd i mol. M(Fe) = 55,845 g/mol 28 g m(Fe) n(Fe) = = ≈ 0,50139 mol M(Fe) 55, 845 g/mol 3. Beräkna med hjälp av den balanserade reaktionslikhetens koefficienter hur många mol produkt det bildas. n(Fe 2 O 3 ) 2 1 = = n(Fe) 4 2 dvs. n(Fe 2 O 3 ) = 1 n(Fe) ≈ 1 ⋅ 0,50139 mol ≈ 0,250695 mol 2 2

4. Med hjälp av den molmängd du räknat ut kan du bestämma massan för produkten. M(Fe2O3) = 2 ∙ 55,845 g/mol + 3 ∙ 15,999 g/mol = 159,687 g/mol g m = nM = 0,250695 mol ⋅ 159, 687 = 40, 032 g ≈ 40 g mol Svar: Det bildas 40 g järnoxid. Med hjälp av den balanserade reaktionslikheten kan du också bestämma hur mycket utgångsämne du behöver för att få en önskad mängd produkt. 2 Reaktionslikhet

E Exempel 6 Vätgas reagerar med kvävgas och det bildas ammoniak (NH3). Hur många gram vätgas behövs för att producera 6,8 g NH3? Lösning: 1.

N2(g) + H2(g) N=2 H=2

NH3(g) N=1 H=3

N2(g) + 3 H2(g) N=2 H=6

2 NH3(g) N=2 H=6

2. M(NH3) = 17,031 g/mol n(NH3 ) =

m(NH3 ) 6,8 g = = 0,3993… mol M (NH3 ) 17,031 g/mol

3. Det behövs 3 mol väte för att producera 2 mol ammoniak. Alltså: 3 3 n(H2 ) = n(NH3 ) = ⋅ 0,3993… mol ≈ 0,5989 mol 2 2 g 4. m(H2 ) = n(H2 )M (H2 ) = 0,5989… mol ⋅ 2,016 = 1,2073 g ≈ 1,2 g mol Svar: Det behövs 1,2 g väte.

E Exempel 7 Bestäm hur mycket koksalt det bildas när 20 g natriumvätekarbonat reagerar med saltsyra. Lösning: Vi anger först den balanserade reaktionslikheten:

NaHCO3(aq) + HCl(aq) Na = 1 H=2

C = 1 Cl = 1 O=3

NaCl(aq) + CO2(g) + H2O(l) Na = 1 H=2

C = 1 Cl = 1 O=3

Därefter bestämmer vi substansmängden för natriumvätekarbonat, som är m(NaHCO 3 ) 20 g = n(NaHCO 3 ) = ≈ 0,238 mol g M (NaHCO 3 ) 84,01 mol Det konsumeras också 0,238 mol saltsyra och i reaktionen bildas 0,238 mol koksalt, koldioxid och vatten. Omräknat till massor får vi:

NaCHO3(aq) + HCl(aq) 20 g 8,68 g 0,238 mol 0,238 mol

NaCl(aq) + CO2(g) + H2O(l) 4,29 g 13,91 g 10,48 g 0,238 mol 0,238 mol 0,238 mol

I den balanserade reaktionslikheten har vi alltså lika många atomer av vart slag på båda sidorna. Dessutom ger 20 g + 8,68 g = 28,68 g av utgångsämnena 13,91 g + 10,48 g +4,29 g = 28,68 g produkter. I en kemisk reaktion varken försvinner eller bildas materia. 22

Kemisk reaktion

ÖVNINGSUPPGIFTER B Basuppgifter 9. Ge ett exempel på lagen om konstanta förhållanden. 10. Ge ett exempel på lagen om multipla proportioner. 11. Balansera följande reaktionslikheter: a. Mg + HCl → MgCl2 + H2 b. Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4 + H2O c. Na2CO3 + HCl → NaCl + CO2 + H2O d. C4H10 + O2 → CO2 + H2O e. S8 + F2 → SF6 12. Balansera följande reaktionslikheter: a. Mg + HNO3 → H2 + Mg(NO3)2 b. CaC2 + H2O → Ca(OH)2 + C2H2 c. CH4 + Cl2 → CH2Cl2 + HCl d. NH3 + CO2 → CH4N2O + H2O 13. Metalliskt titan fås från mineralet rutil TiO2. Hur många kilogram rutil behövs för att producera 125,0 kg titan? 14. Industriellt tillverkar man ammoniak med Haber-Bosch-metoden: N2 + H2 → NH3 a. Balansera reaktionslikheten. b. Hur många mol väte krävs för en reaktion med 525 g kväve? c. Hur många gram väte krävs för en reaktion med 525 g kväve? 15. Rent syre tillverkades för första gången genom att upphetta kvicksilveroxid HgO → Hg + O2 a. Balansera reaktionslikheten. b. Hur många gram kvicksilver och syre bildas det av 46,0 g HgO? c. Hur många gram HgO behövs för att tillverka 32,7 g syre?

2 Reaktionslikhet

FORSKNING A Arbete 2

Bestämning av proportionsformeln för magnesiumoxid I detta arbete bestämmer vi proportionsformeln för en förening mellan magnesium Mg och syre O.

Ämnen och utrustning • Mg-band (ca 0,5 g) • en degel med lock eller två kapsyler • redskap för upphettning

A Arbete 3

Reaktionen mellan järn och kopparsulfat I detta arbete undersöker vi om järn oxideras till två- eller trevärda joner i en reaktion med kopparsulfat.

Ämnen och utrustning • järnpulver (Fe) • kopparsulfatlösning c(CuSO4) = 1,0 mol/dm3 • dekanterglas eller Erlenmeyerflaska • glasstav • våg (noggrannhet 0,1 g)

A Arbete 4

Bestämning av CaCO3-halten i äggskal I detta arbete bestämmer vi kalciumkarbonathalten i massprocent i äggskal och bekantar oss med titrering som en kvantitativ analysmetod. Arbetet omfattar tre steg: 1. Torkning av äggskal 2. Upplösning av äggskal 3. Titrering av överskotts klorvätesyra som används vid upplösningen. Titreringen utförs som en syra-återtitrering.

Titreringsutrustning: • byrett • stativ, muff, klämmare • tratt • (magnetomrörare och magnetstav)

Kemisk reaktion

Ämnen och utrustning • en ugn och ett glaskärl med tättslutande lock (excikator) för äggskalen • en mortel och mortelstav • våg (noggrannhet 0,01g) • 100 ml Erlenmeyerflaska • 10 ml vollpipett och titreringsutrustning • äggskal • vätekloridsyra c(HCl) = 2,0 mol/dm3 • natriumhydroxidlösning c(NaOH) = 1,00 mol/dm3 • fenolftalein, (destillerat) vatten.