Naturfag Pørve Øveark PDF

Kapittel 2: Kjemiske bindinger Kapittel 2.1: Atomer, grunnstoffer, periodesystemet Atomer: Den minste delen av et grunnstoff som fortsatt har de kjemiske egenskapene til grunnstoffet. Atomet er bygd opp av en positivt ladet atomkjerne, bestående av protoner (+) og nøytroner (nøytrale) med elekt...

Kapittel 2: Kjemiske bindinger Kapittel 2.1: Atomer, grunnstoffer, periodesystemet Atomer: Den minste delen av et grunnstoff som fortsatt har de kjemiske egenskapene til grunnstoffet. Atomet er bygd opp av en positivt ladet atomkjerne, bestående av protoner (+) og nøytroner (nøytrale) med elektroner (-) som kretser rundt. Et grunnstoff: Stoff som består av en type atom, f.eks. Hydrogen (H), oksygen (O) osv. Periodesystemet: Alle grunnstoffene ordnet etter økende mengde protoner og elektroner, hvert grunnstoff får et atomnummer, atomnummeret står for mengden protoner og elektroner. Kjemisk forbindelse: Stoff som består av flere atomtyper, og kan spaltes til to eller flere grunnstoffer, f.eks. H2O (Vann, H og 2O) Skallmodellen og elektronfordeling Ifølge skallmodellen er elektronene fordelt på forskjellige skall etter et bestemt mønster. Vi kaller denne fordelingen av elektroner rundt kjernen elektronfordelingen til atomet. Hvert skall svarer til et bestemt energinivå hos atomet. Åtteregelen: Det ytterste skallet skal ha 8 elektroner, det kan være plass til flere i indre skall, og den første har alltid 2. Det oppnår atomet ved å gi vekk elektroner, ta opp elektroner, eller ved å dele elektroner mellom seg. Ytreelektroner kaller vi valenselektroner. Elektronskymodellen bygger på at skallene ikke er rigide, men representerer mer et «område». Verken modell er helt riktig; vi trenger begge. Boken bruker elektronskallmodellen videre. Tallet på toppen i kolonene viser mengden valenselektroner, 92 grunnstoffer er naturlige og vi har 118 totalt. Antall skall vises nedover. Metaller er blå, ikke metaller er rosa, halvmetallene er lilla, det har noe å si om hvordan de binder hverandre. Kapittel 2.2: Kjemiske Bindinger Kjemiske bindinger er krefter mellom atomer eller ioner. Kun edelgassene forekommer som enkeltatomer. Alle andre er enten bundet til atomer av samme grunnstoff, eller til atomer av andre grunnstoffer, som gjør de kjemisk forbundet. Oksygen finnes for eksempel aldri enkeltvis, enten er det som O2 gass, eller bundet til et annet grunnstoff, f.eks. H2O. Atomer kan lage bindinger på tre måter, gi vekk, ta imot, eller dele elektroner. Positivt ladede ioner kalles kationer, imens negativt ladede ioner kalles anioner. Det er tre typer med sterke bindinger: Kovalente bindinger (ikke-metall + ikke-metall): Bindinger som deler på et eller flere elektroner, f.eks. O2. Kan kalles elektronpar bindinger. Vi kaller to delte elektroner for et elektronpar. I «H2» vil «2» være indekstallet, det forteller hvor mange av et atom det er i et molekyl. Elektroner på deling i et H2 molekyl hører like mye til begge atomene. Kovalentbindinger kan illustreres ved tre modeller, elektronskall, elektronprikkmodellen, eller med strukturformel (Cl-Cl), at det kun er en strek vies t bare et elektron deles. Når to elektroner deles brukes «=», og så videre. Ikke alle bindingene er like, for eksempel, når klor og hydrogen binder seg sammen, vil hydrogen kun ha et elektron, imens klor har 17, derfor har klor mer «drag», slik at elektronene blir mer tiltrukket til kloret som lader det negativt, imens hydrogenet blir ladet positivt. Hydrogenkloridmolekyl er et eksempel på en dipol, men ikke alle stoffer med forskjellige atomer i et molekyl er dipoler. Metan for eksempel fordeler alle hydrogen atomene likt på 120 grader vinkler slik at alt forblir nøytralt. Ionebindinger (metall + ikke-metall): Tiltrekning imellom positivt ladde og negativt ladde ioner. I en ioneforbindelse er det like mange positive som negative. Danner salter, blir enten + eller -- ladet basert på om den gir fra seg elektron (+) eller tar opp et elektron (-). Salt gitter er navnet på strukturen salter har, salt er alltid krystaller. Summen av ladninger blir alltid lik 0. Salt vil normalt ikke lede strøm fordi alle elektronene er bundet til ionene, men hvis oppløst i vann leder den godt strøm. Kjemiske regler for salter: Grunnstoffene i gruppe 1 vil alltid gi 1 elektron og bli positivt ladet, Metallbindinger (metall + metall): Metallbindinger er spesielle siden de danner elektronskyer, fordi elektronene er så svakt bundet til atomkjernen at de lett kan bevege seg fritt. De løsner fra moderatomet og vandrer fra atom til atom, det er dette som danner metallbindinger. Noen metaller er så stabile at vi kan bruke de som rene metaller i legeringer, f.eks. jern, nikkel, kobber, sink og aluminium. Gruppe en er alkali metall De mest stabile metaller heter edelmetaller, f.eks. Sølv, gull, og platina, disse metallene er svært verdifulle. Metallenes manglende evne på å holde på elektroner gir de en tetteste kulepakning, som gir metallene egenskapene de har. Altså at de lett kan lede strøm p.ga. de frie elektronene, god varmeledelse, en skinnende overflate, og evnen til å danne legeringer der to eller flere metaller blir sammensatt. Og at smeltepunktet blir bestemt ut ifra ionets ladning, de fleste metaller har et høyt smeltepunkt i tråd med at de har sterke bindinger, metaller danner positivt ladde ioner og dermed kan de danne salter. Innskuddsmetaller er de etter rad 2 og opptil et eller annet, det er disse som kan danne bindinger. Grunnen til at metaller er formbare er at de kan gli i forhold til hverandre hvis de blir deformert. Elektronene kan tenkes på som et smøremiddel i denne situasjonen. De fleste metaller brukes heller i legeringsform istedenfor ren form, hvis man for eksempel tilsetter 2% karbon til jern kan man få stål, som har vanskeligere for å bli deformert. Aluminium er det metallet vi finner mest av i naturen, 8,1% i jordskorpen, det fremstilles som mineralet bauxitt, det kan være vanskelig å utvinne. Grunnen til at Norge er en stor produsent av aluminium henger sammen med vannkraft og billig strøm. Aluminium kan resirkuleres, der kun 5% at energien brukes som vanligvis trenger for å lage det. Uttak av metaller påvirker miljøet kraftig i form av gruvedrift, avrenning og forurensing av jord og vann. Produksjonsprosessen gir også utslipp, i tillegg er det dårlige forhold til de som henter ut metallene. Kobolt er hovedsakelig hentet ut av barn, hvor de har elendige forhold, derfor er det viktig å gjenvinne det som bruker kobolt. Svake bindinger: Bindinger mellom molekyler og atomer Hydrogenklorid er en dipol hvor den ene siden er lit negativ, og den andre er litt positiv. Flere hydrogenklorider kan dermed binde seg til hverandre ved at den positive siden av et molekyl treffer den negative siden til et annet. Når hydrogen er involvert blir dipolbindingen sterkere og blir kalt en hydrogenbinding, spesifikt når H bindes med F, O eller N. H2O har to fire elektronpar som frastøter de elektronparene som deltar i polar kovalente bindingene, dette gir hydrogenatomene en vinkel på 105 grader vekk fra hverandre Fra vannmolekylet kan opptil fire dipolbindinger bli laget med andre vannmolekyler, eller hydrogenbindinger som det kalles. Dette har effekten av å øke smelte- og kokepunktet til vann høyere enn hva man skulle forvente, og at vann blir til et godt løsemiddel, den kan gjerne dra stoffer fra hverandre. Ingen atomer forsvinner eller oppstår av seg selv  Skriv balanserte reaksjonsligninger. 2Na(s) + Cl2(g)  2NaCl(s) To Na atomer, to klorid atomer. Valenselektronene avgjør hvilket ion ett grunnstoff vil danne. Plasseringen i det periodiske systemet avgjør hvilke stoff som kan reagere. Når natriumklorid blir til skaper det ikke bare ionepar, men og et ionegitter. Det blir et regelmessig mønster dannet fordi motsatte ladninger er tiltrukket hverandre. Gitterstrukturen gir visse egenskaper siden bindingene er sterke, smelte og kokepunktet blir svært høyt, i fast form vil de ikke lede strøm, men hvis de er oppløst i vann vil de lede strøm svært godt. De blir sprøe, hvis man slår de med en hammer vil de sprekke. Mange ioner er bygd opp av atomer som er fleratomige. KNO3 er bygd opp av k+ og NO3- Det er molekylgruppe NO3- som har negativ ladning, ikke enkelt atomene. Fleratomige atomer har trivialnavn som ble brukt i dagligtale før formelen var kjente. De fleste negative ionene stammer fra syrer. Nøkkelen: Natrium (blå), Hydrogen (hvitt), Oksygen (rødt) Formel for fleratomige ion Trivialnavn NH4 1+ Ammonium OH 1- Hydroksid NO3 1- Nitrat CO3 2- Karbonat SO4 2- Sulfat PO4 3- Fosfat CH3 COO- Acetat Greske ord for tall Mono: 1 Di: 2 Tri: 3 Tetra: 4 Penta: 5 Heksa: 6 Hepta: 7 Okta: 8 Nona: 9 Deka: 10 Noen viktige begreper, med vann som eksempel Vann er et godt løsemiddel for salter og for polare forbindelser, siden molekylene har negative og positive sider. Polare forbindelser: har (+) og (-) poler, løser seg i vann U-Polare forbindelser gjør ikke det, deres svake dipol bindinger er for svake for å skille H-atomene fra O2 Når vi løser polare stoffer i vann sier vi at løsningen blir mer konsentrert. Når vi tilsetter mer vann sier vi at løsningen blir fortynnet. Når vi legger til så mye av et polart stoff at mer ikke lenger kan bli oppløst, kan det sies at løsningen er «mettet». Grunnstoffmolekyl: Molekyl som kun består av ett grunnstoff, for eksempel O2, H2 osv. Kjemisk Forbindelse: Stoffer som består av flere forskjellige molekyler som er sammenslått, for eksempel NaCl. Viktige egenskaper til vann: Stor spesifikke varmekapasitet, og fordampningsvarme, gjør at det tar lang tid å varme opp og kjøle av vann, dette er viktig for klima og kroppen vår. F.eks. hvorfor Bergan har mindre temperatursvinginer enn Oslo Overflatespenning: I vannet har alle vannmolekylene nabomolekyler på alle kanter, men ikke de på overflaten. Da har de H-bindinger kun ved siden og under seg, dette betyr at de kan danne flere bindinger og resultatet blir en overflatehinne. Massetettheten til vann varierer med temperatur, is flyter i vann, fordi hydrogenbindingene ordner seg i et regelmessig nettverk med åpen struktur. Vann har størst tetthet ved 4 grader celsius Karbonkretsløpet vandrer naturlig igjennom følgende sfærer. Atmosfæren består kun av 0,038% CO2 Hydrosfæren: Havet Biosfæren: Alt levende Fotosyntese og celleånding syklusen tar under ett år. Luft til hav vekslingen tar imellom 1-10 år. Jord til luft syklusen tar imellom 10-100 år. Karbonater i litosfæren (steiner som blir begravd, olje, kull osv.) og overflate til dyphavs-utvekslingen tar mer enn et hundre år. Det viktigste er at mennesker tar ut karbon som er i litosfæren ut slik at det blir hentet ut til raskere vekslinger, slik at mengden karbon i atmosfæren øker. Fotosyntese: Karbondioksid + vann + solenergi  Glukose + oksygen. 6CO2 + 6H2O + energi  C6H12O6 + 6O2 80% av fotosyntese pågår i havet. Celleånding: C6H12O6 + 6O2  6CO2 + 6H2O Karbon blir også frigjort når levende organismer råtner. Store lager av karbon kan bli funnet i fjell og hav i form av sedimenter slik som olje, kull, gass osv. Celleånding er en forbrenningsreaksjon. Brenningen av fossile energikilder er en forbrenningsreaskjon. Hvis organisk materiale under havet blir lagt trykk på uten oksygentilførsel vil den bli forvandlet til en fossil energikilde. Drivhuseffekten: Solas innstråling hadde vært lite verdt hvis det ikke var for drivhuseffekten, den hadde isteden vært skadelig for mulig liv. Atmosfæren sørger for å opprettholde strålings-balansen på jorda. Atmosfæren bestemmer strålingstypen som slippes inn, og ut Uten drivhuseffekten hadde temperaturen vært -19, med effekten er den +15. Drivhuseffekten slipper ikke alltid ut langbølgede strålinger, altså infrarød, (IR), som er varmestråling. Hovedsakelig består atmosfæren av vanndamp, men den er «naturlig» så vi hører ikke altfor mye om den, annet enn den har vi karbondioksid som er den viktigste menneskeskapte drivhusgassen, metan som blir lagd av kyr, dinitrogenoksid eksos fra biler, KFK-gasser som kommer fra spraybokser og Ozon særlig fra biler. Omtrent 70% av drivhus-utslipp fra mennesker kommer i fra fossile brensler og sementproduksjon Effekten kan gjøre nedbør mer ekstremt Ifølge paris klima avtalen i 2015 skal temperaturen helst holdes under 1,5, maks 2 grader basert på hva den var i 1850. Isbjørner overlevde at jorden ble isfri for ca. 8000 år, hovedsakelig dør de i dag p.ga. ulovlig jakt og klimagifter. Organiske bindelser Deles in i grupper basert på hvordan de er bygd opp De vanligste er Hydrokarboner: Stoffer som kun inneholder karbon og hydrogen. Olje og gass består av hydrokarboner, svært viktig for hvorfor Norge er slik det er i dag. Alkaner (Enkeltbindinger) er en del av hydrokarboner, de består av metan(CH4), etan(C2H6), propan(C3H8), butan(C4H10), pentan(C5H12), heksan(C6H14), heptan(C7H16), oktan(C8H18), Nonan(C9H20) og Dekan(C10H22). Metan er sirka 24x mer effektivt enn CO2, men den har kortere oppholdstid. 1kg oksekjøtt lager 14kg CO2, som er 8x mer enn f.eks. kylling. Alkener (Dobbeltbindinger) Blir fremstilt av en prosess som heter krakking. Eten er brukt til å modne frukt. Banan f.eks. som blir transportert grønne, deretter blir de behandlet med eten før de når butikken slik at de blir gule. Plast er bygd opp av polymerer, svært lange kjeder av molekyler bygd opp av mange like enheter, kalt monomerer. Polyeten er et plaststoff som brukes i plastposer og annen emballasje. Den er lagd av at eten molekyler reagerer med hverandre. Gjenvinning: Plastflasker er lagd av en polymer som heter PET. Etter krakking blir de ulike hydrokarboner skilt fra hverandre ved fraksjonert destillasjon. Deretter dannes monomerer og disse settes sammen til polymerer. Det blir laget plastpellets, som senere smeltes og formes til flasker. Ferdig støpte flasker skal steriliseres, før de fylles og merkes. Fra forbrukernes er det 3 alternativer: gjenbruke, gjenvinne, eller kaste. Tykkeere PET-flasker som brusflasker gjenbrukes gjerne flere ganger. Tynnere flasker gjenvinnes. Materialgjenvinning starter med at flaskene først blir klemt sammen og presset inn i store blokker. Hos gjenvinningsstasjonen blir de revet i stykker, vasket, papiret tatt bort og korkene flytes opp siden har annen tetthet. Deretter vaskes, varmes og renses disse for urenheter, for de sorteres etter farge til de små plastkornene. Dette blir råstoff for nye pola Alkyner (trippelbindinger): Har stoffer som etyn, propyn, der alle karbonene har trippelet bindinger. Oppsummering: Hydrokarboner er de enkleste organiske forbindelsene, metan er en naturgass, polymerer av alkener blir brukt i mange typer plast vi kjenner. Alkoholer: Inneholder OH- grupper  Kalles for et hydroksyl gruppe. Deles inn i enverdige, toverdige, og treverdige ettersom har 1,2,3 OH-grupper Får navnet etter antall C-kjeder som for alkaner, pluss «ol», f.eks. metan + ol = metanol Alkoholer med korte C-kjeder er løselige i vann (metanol, etanol, propanol og butanol) Alkoholer har mange bruksområder, slik som løsemiddel, drivstoff, nytelsesmiddel, desinfeksjons, og produksjon av mange forskjellige stoffer. Etanol C2H5OH finnes i øl, vin og brennevin. Etanol blir fremstilt av gjæring, f.eks. sukker, eller fra hydrokarboner. Etanol brukes som nytelsesmiddel, f.eks. vinlaging. Bioetanol blir fremstilt av sukker-holdige planter og brukes som drivstoff. Etanol (enverdig): Formel; C2H5OH, 2 C-Atomer, erstatter en H med OH. Metanol (enverdig): Tidligere laget ved å oppvarme tre uten O2. Det tar lang tid å bryte ned, er giftig, små mengder kan drepe eller blinde. Det tar 10-30 timer å danne nok maursyre («metansyre») til at det gir symptomer om at blodet har blitt for surt, mennesker tåler ikke at blodet blir surt og dør. Norge lager 25% av Europas metanol, har lik bruk som etanol, annet enn at det ikke brukes for tilfredstillelse. Glykol (toverdig): Glykol er det vi kaller for et trivial-navn (noe man må bare lære seg), det systematiske navnet er Etan-1,2-Diol. Glykol brukes som løsemiddel og frostvæske, avising av fly, lar det bli opptil -35 grader før det fryser. Hvis glykol kommer ut i vann forurenser det for alt liv -- derfor har flyplasser oppsamlingsanlegg, det kan gjenvinnes. Glyserol (treverdig): lages av fett. Glyserol brukes i kosmetikk, medisiner og sprengstoff. Systematiske navn: Propan-1,2,3-triol Generelle egenskaper til alkohol, en verdige alkoholer har mye høyere kokepunkt enn alkaner, med samme antall C-atomer. Grunnen til dette er at OH-gruppe fremmer dannelse av hydrogen-bindinger. Desto flere OH-grupper desto flere H-bindinger og desto høyere kokepunkt. I tillegg, er de både hydrofile og hydrofobiske. Alkoholer med færre C-atomer er også mer vannløselige enn alkoholer med flere C-atomer. OH-gruppene har det lettere å danne H-bindinger med vann hvis det er færre C-atomer, fordi forbindelsen blir mer polar. Blir det for mange C-atomer vil polariteten minske, likeså oppløseligheten. OH = hydroksyl Metanol er giftig, både metanol og etanol brukes som brennstoff, løsemiddel og produksjon av flere forskjellige produkter, etanol kan brukes som desinfiserende middel. Glykol er en søtsmakene væske som kan brukes til frostvæske. Glyserol blir brukt til kosmetikk, sprengstoff, medisiner og er et viktig fett-middel. Karboksylsyrer (organiske stoffer) Karboksylsyrer er stoffer som inneholder en COOH gruppe, slik som at Gir lett fra seg et hydrogen, er svært reaktive Hvis vi ser metan med en COOH gruppe legger vi til «syre» i navnet. Karboksylsyrer med mer enn 3 C-atomer kalles for «fettsyrer». Definisjonen av en syre: Et molekyl som kan gi fra seg et H+ atom. Karboksylsyrer er svake syrer, fordi den kan kun gi fra seg ett H+ atom fra COOH- gruppen. Eddiksyre (etansyre) er en av de mest brukte karboksylsyrene, den hemmer bakterievekst og brukes derfor i sylting og annen konservering. Organiske næringsstoffer består av karbon -- Karbohydrater, fett og protein. Karbon oppgjør 94% av forbindelser. Norges oljeeventyr: Olje leting startet i 1968, olje funnet ett år senere i 1969 i ekofisk-feltet. Stortinget opprettet oljefondet i 1990. i dag heter det «statens pensjonsfund i utlandet» og var verdt over 13.000 milliarder kroner i 2022. Norge er et ledende land innen olje-produksjon. Norge vil ikke stoppe å selge olje, det er et komplekst problem. Estere Estere dannes når karboksylsyrer reagerer med alkohol. Estere er det i blomster, frukt og parfyme som lukter godt. Type reaksjon heter kondensasjonreaskjon fordi et vann molekyl spaltes av. Langt mer av karbonet på jorda er bundet i uorganiske forbindelser enn i organiske forbindelser: \- I lufta som Co2- bidrar som drivhusgass til å endre på strålingsbalansen \- I havet oppløst som Co2 (AQ) som hydrogenkarbonationer (HCO3-) og karbonationer (CO3-2) \- I litosfæren som kalles kalkstein -- Hovedsakelig kalsiumkarbonat og marmor. Karbon atomer -- Ulike former som kovalente bindinger har. Avgjør strukturen til rene karbon forbindelse. 1\. Grafitt (atomene er delokalisert, så de leder strøm) 2\. Diamant (Alle elektronene deltar i kovalente bindinger Meget sterk og hard) 3\. Fullrensstruktur (sfæreformet) CO2 løser seg i vann og danner karbonsyre Dette er grunnen til at regnvann pleier å være litt surt, med en pH på sirka 5,6. H2O + CO2 \ H2CO3 Karbonsyre / kullsyre kan avgi H+ ioner i to trinn. 1\. H2Co3 + H2O \ H3O+ + HCO3 1- 2\. HCO3- + H2O \ H3O+ + CO3 2- HCO3- heter hydrogenkarbonat Kalk og andre karbonater er viktige i havet. Skalldyr, plankton og koraler lager skjell og «hus» av kalsiumkarbonat (CaCo3) Når organismene dør, drysser det kalk ned på havbunnen. Over millioner av år blir dette til kalkstein, og med platetektonikk blir det evt. Tykke lag av kalkstein (kalsiumkarbonat) -- oppe på tørt land. Forsuring av verdenshavene påvirker liv i havet. Vingesnegl (og mange andre organismer i havet) har kalkskall av aragonitt, en form for kalsiumkarbonat som kan gå i oppløsing hvis havvannet blir for surt. Havvannet pleier å ha en pH på 8.2 (basisk), men har blitt til 8.1 (mindre basisk) i løpet av det siste århundret. Organismer kan få vanskeligheter med å lage skallet sitt. Vingesnegl (samt krill, muslinger og koraller) er organismer som er mat for mange andre i næringsnettet.