FÖRBEREDANDE HÄFTE I KEMI

Transkript

1 FÖRBEREDANDE HÄFTE I KEMI Lisa Skedung Skolan för Kemivetenskap Reviderad maj 2015

2 FÖRORD Välkommen till KTH och Skolan för Kemivetenskap. Du har spännande år framför dig med intensiva studier som väntar på något av KTH:s program inom kemi- eller bioteknik. Att få en bra start på studietiden och hänga med i studietempot från början är viktigt för att känna en trygghet i studierna. Det gäller att vara väl förberedd genom att vara säker på den grundläggande kemin från gymnasiet. Om du arbetar dig igenom detta häfte kan du repetera sådant som du hunnit glömma bort, eller bekräfta det du redan kan. I detta häfte finns grundläggande teori, uppgifter och lösningar till uppgifterna. Läs först igenom teorin och gör sedan uppgifterna. Om du har fått fel på en uppgift, gå igenom lösningen noga tills att du förstår. Om du har din bok i kemi kvar från gymnasiet kan du ha den som uppslagsbok om det är något som du tycker är extra svårt. Eftersom det inte är självklart att du har läst kemi B i gymnasiet kan vissa begrepp vara nya och några uppgifter kan vara lite svåra. Jag har känt att jag ändå har behövt ta med dem för att de är av sådan stor betydelse för de kommande kemistudierna på KTH. Uppgifterna i häftet kommer dels från ett häfte som tidigare skickades ut, dels från olika gymnasieböcker och från kursboken som ni kommer att ha i den första kursen i Kemi här på KTH. Jag har själv gått Kemi- och Kemiteknikprogrammet här på KTH och är väldigt nöjd med mitt val av utbildning. Jag uppmanar dig, av erfarenhet, att repetera kemi innan du börjar, för med en bra grund kommer studierna att gå så mycket lättare i början. Det kan vara klokt att starta redan idag. Stockholm juni 2007 Lisa Skedung Civilingenjör i Kemi och Kemiteknik Reviderad maj 2015

3

4 INNEHÅLL Förberedande häfte i kemi Lisa Skedung 1 GRUNDLÄGGANDE BEGREPP Atomens uppbyggnad Periodiska systemet Elektronstruktur Kemisk bindning Jonföreningar Kovalent bindning Intermolekylära krafter Nomenklatur Massa, Substansmängd och Molmassa Beräkningar och omvandlingar mellan enheter Avrundningar Prefix Uppgifter REAKTIONSFORMLER Molförhållande Balansering av reaktionsformler Utfällningsreaktioner Syrabasreaktioner Redoxreaktioner Oxidation och reduktion Att balansera redoxreaktioner Oxidationstal Uppgifter STÖKIOMETRISKA BERÄKNINGAR Kemiska formler Föreningars sammansättningar Molförhållanden vid en kemisk reaktion Beräkningar av massor av ämnen som deltar kemiska reaktioner Reaktionsutbyte Uppgifter HALTBESTÄMNINGAR Lösningars halt Beredning av lösning Spädning Titreringar Uppgifter IDEALA GASER Gaser Allmänna gaslagen Molvolym Stökiometriska beräkningar med gaser Daltons lag Uppgifter JÄMVIKTER Reaktionshastighet Kemisk jämvikt Jämvikt eller inte jämvikt? Förskjutning av en jämvikt Löslighet Syror och baser Uppgifter TERMOKEMI OCH TERMODYNAMIK Entalpi och värme Hess lag Värmekapacitet Entropi och molekylär oordning Fri energi och spontana processer Elektrokemiska celler Uppgifter LÖSNINGAR KÄLLFÖRTECKNING... 63

5

6 1 GRUNDLÄGGANDE BEGREPP 1.1 Atomens uppbyggnad En atoms massa är koncentrerad i atomkärnan där de positiva protonerna och de neutrala neutronerna finns. De negativt laddade elektronerna rör sig runt kärnan. Antalet protoner i kärnan ger atomens atomnummer (Z). Eftersom en atom är elektriskt neutral har en atom lika många elektroner som protoner. Neutroner (N) och protoner kallas för nukleoner, där summan av antalet protoner och neutroner ger atomens masstal (A). A = Z + N Ett grundämne är ett ämne som består av atomer med samma atomnummer. Ett grundämne med ett givet antal protoner och neutroner och kan skrivas: A 1 ZX t. ex. H, 12 6C, P, 92U Ofta skrivs endast masstalet ut, t.ex. 12 C eller 31 P, eftersom informationen om atomnumret finns i den kemiska symbolen. 1 Vissa grundämnen förekommer i olika varianter, t.ex. väte och klor. De olika varianterna kallas för isotoper. Isotoper har samma antal protoner, men olika antal neutroner, d.v.s. masstalet skiljer isotoperna åt. Antalet elektroner runt kärnan är samma hos isotoper. Klor i naturen finns som en blandning av isotoperna 35 Cl och 37 Cl. I båda fallen har de 17 protoner i kärnan, men den ena isotopen har 18 neutroner och den andra isotopen har 20 neutroner i kärnan. Eftersom de kemiska egenskaperna bestäms av elektronerna så har olika isotoper av samma grundämne samma kemiska egenskaper. 1.2 Periodiska systemet Alla grundämnena finns ordnade i periodiska systemet, som är uppbyggt av 18 grupper och 7 perioder. Grundämnena är ordnade efter ökande kärnladdning eller atomnummer, där väte har atomnummer 1, helium har atomnummer 2, litium har atomnummer 3 o.s.v. Ämnena i varje grupp har besläktade egenskaper. I grupp 1 finns alkalimetallerna som är mjuka och reagerar väldigt lätt med andra ämnen. Vid reaktionen med vatten bildas vätgas och lösningen blir basisk av den bildade metallhydroxiden. De alkaliska jordartsmetallerna finns i grupp 2 och de är mindre reaktiva än alkalimetallerna. I grupp 17 finns halogenerna, d.v.s. fluor, klor, brom och jod. Halogen betyder saltbildare och halogenerna reagerar lätt med metaller. Ädelgaserna finns i grupp 18 och de är i gasform i rumstemperatur. De är stabila ämnen och reagerar därför ogärna med andra ämnen. Grupp 3 till 12 innehåller övergångsmetallerna

7 Ämnena till vänster i periodiska systemet är metaller och ickemetallerna finns till höger. De separeras av ett diagonalt band med halvmetallerna B, Si, Ge, As, Sb, Te och Po, se figur H He 2 Li Be B C N O F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Icke metaller Metaller Halvmetaller 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe 6 Cs Ba Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn 7 Fr Ra Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Figur 1: Periodiska systemet med färgindelning som illustrerar vilka grundämnen som är metaller, halvmetaller och ickemetaller. Använd gärna detta periodiska system och öva på vilka grundämnen som de kemiska symbolerna motsvarar. 1.3 Elektronstruktur Elektronerna i atomen är fördelade på olika skal runt kärnan, där fördelningen kallas ämnets elektronkonfiguration. Elektronskalen numreras inifrån kärnan och ut och betecknas K, L, M, N o.s.v. där skalen i tur och ordning rymmer 2, 8, 18 och 32 elektroner. De olika skalen motsvarar olika energinivåer hos atomen där avståndet mellan de olika energinivåerna svarar mot bestämda energimängder. Elektroner kan hoppa från lägre till högre skal hos atomen om rätt energimängd tillförs genom t.ex. strålning eller upphettning. Man säger då att atomen har exciterats. Det exciterade tillståndet är instabilt, och när elektronen återgår till sitt ursprungliga elektronskal, sänds motsvarande energi ut i form av elektromagnetisk strålning, t.ex. synligt ljus eller ultraviolett ljus. Natrium har atomnummer 11, vilket betyder att en natriumatom har 11 elektroner. 2 elektroner finns på K-skalet, 8 på L-skalet och 1 på M-skalet. 11Na K 2e - L 8e - M 1e - Figur 2: Elektronkonfigurationen för natrium. Valenselektroner är antalet elektroner i det yttersta skalet, vilket betyder att natrium har en valenselektron. Magnesium har 2 valenselektroner, svavel har 6 och klor har 7 stycken valenselektroner. 17Cl K 2e - L 8e - M 7e - 12Mg K 2e - L 8e - M 2e - Figur 3: Elektronkonfigurationen för klor och magnesium. 2

8 Grundämnena i samma grupp i periodiska systemet har lika många valenselektroner (några undantag finns när det gäller övergångsmetallerna). Antalet valenselektroner för grundämnena i grupp 1-2 är lika med gruppnumret, och för grundämnena i grupp är antalet valenselektroner lika med gruppnumret minus tio. Övergångsmetallerna i grupperna 3-12 har i allmänhet en eller två elektroner i det yttersta skalet. I en atoms elektronformel anges atomens kemiska symbol och valenselektronerna. Varje valenselektron anges med en prick runt tecknet. Väte har en valenselektron och helium har 2 stycken. H He Det är valenselektronerna som är avgörande för de kemiska och fysikaliska egenskaperna hos ett ämne, t.ex. kemisk bindning, uppbyggnad, färg och löslighet. Attraktionskraften mellan den positiva kärnan och den negativa elektronen minskar ju längre bort från kärnan som elektronen befinner sig. Det innebär att det krävs mindre energi att avlägsna en elektron ju längre bort från kärnan den befinner sig. Det är stabilt att ha det yttersta skalet fyllt med elektroner, d.v.s. att ha ädelgasstruktur. Vid reaktioner mellan olika ämnen är strävan efter att nå ädelgasstruktur en stor drivkraft. Ädelgaserna, som har sitt yttersta skal fullt, reagerar ogärna med andra ämnen. Joniseringsenergin är den energi som krävs för att avlägsna en elektron från en atom. När en elektron försvinner blir atomen positivt laddad. En elektriskt laddad atom kallas för en atomjon. Om en atom i stället tar upp en elektron blir atomen negativt laddad. De grundämnen som får ädelgasstruktur om elektroner försvinner från atomerna blir positivt laddade joner, t.ex. magnesium, Mg 2+, och natrium, Na +. Om klor tar upp en elektron nås ädelgasstuktur och kloridjoner bildas, Cl -. Minnesregel: Det är positivt att ge bort någonting. En positivt laddad jon kallas för katjon och en negativt laddad jon kallas för anjon. 3

9 1.4 Kemisk bindning Förberedande häfte i kemi Lisa Skedung När grundämnen reagerar med varandra bildas kemiska föreningar. Det är valenselektronerna, d.v.s. elektronerna i det yttersta skalet, som deltar i reaktionen Jonföreningar När natrium och klor reagerar med varandra överförs elektroner från natriumatomer till kloratomer. Drivkraften för reaktionen är att atomerna strävar efter att nå ädelgasstruktur, vilket är en stabil elektronkonfiguration. Det är speciellt grundämnena i grupperna 1, 2, 17 och 18 som har strävan att nå ädelgasstruktur. Natriumatomerna har 11 protoner och när de avger en elektron var har de 10 elektroner kvar, vilket gör att de totalt sett får en positiv enhetsladdning och betecknas Na +. Kloridjonerna har 17 protoner och när de tar upp en elektron ( 18 elektroner), får de totalt sett en negativ enhetsladdning och betecknas Cl -. Natriumjoner och kloridjoner attraherar varandra eftersom de har olika laddning, och jonerna binds samman med en jonbindning. Jonerna bildar en jonkristall som utåt sett är oladdad. Jonföreningens formel skrivs med den positiva jonen först, NaCl, och anger förhållandet mellan antalet positiva och negativa joner. Jonföreningar kallas ofta för salter. Ett fast salt leder inte elektricitet, men ett salt i smält form eller i vattenlösning leder elektricitet. Det är de fria jonerna som kan vandra och leda elektricitet. Salters löslighet i vatten varierar, där alla natrium-, kalium-, och ammoniumsalter samt alla nitrater är lättlösliga Kovalent bindning En molekyl är en oladdad partikel som består av två eller flera lika eller olika atomer, sammansatta till en självständig enhet, t.ex. Cl2, O2, N2, H2O, CO2, NH3 och NO3 -. Varje kloratom har sju valenselektroner och genom att ta upp en extra elektron når de ädelgasstruktur. När två kloratomer binds ihop till en molekyl, bildar en elektron från varje atom ett gemensamt elektronpar, som de båda atomerna utnyttjar och på så sätt uppnår ädelgasstruktur. Det gemensamma elektronparet binder de två atomerna till varandra, där bindningen kallas för kovalent bindning. När de två kloratomerna reagerar med varandra frigörs energi, vilket betyder att klormolekylen är stabilare än de två atomerna för sig. 4

10 Molekylföreningar kan innehålla dubbelbindningar och trippelbindningar. I en dubbelbindning har atomerna har två gemensamma elektronpar och i en trippelbindning har de tre gemensamma elektronpar. Koldioxid är en molekyl som innehåller två dubbelbindningar. Sulfatjonen, SO4 2-, är en sammansatt jon, som består av flera atomer som är sammanbundna med kovalenta bindningar. Elektronegativitet är ett mått på atomernas förmåga att attrahera elektroner. En sådan förmåga har syre, kväve och halogenerna som är starkt elektronegativa ämnen. Om två olika atomer med olika elektronegativitet binds samman, t.ex. HCl, kommer elektronerna i bindningen förskjutas åt den atom som är mest elektronegativ. Molekylen får en pluspol och en minuspol och bindningen blir en polär kovalent bindning Intermolekylära krafter Förutom de starka intramolekylära bindningarna inom en molekyl, finns också krafter som håller ihop de olika molekylerna, intermolekylära krafter, som är svaga bindningar. Krafter mellan molekyler kan vara vätebindningar, van der Waalsbindningar och dipoldipolbindningar. Dipol-dipolbindning verkar mellan polära molekyler, d.v.s. molekyler som har en pluspol och en minuspol, t.ex. HCl, SO2 och CO. Den positiva änden av molekylen attraheras mot den negativa änden på en annan molekyl. Opolära molekyler binds samman med van der Waalsbindning, som är en mycket svag bindning. Exempel på molekyler med van der Waalsbindning mellan molekylerna är N2, O2, Cl2 och P4. Vätebindningen verkar mellan molekyler som har en väteatom direkt bunden till syre, fluor eller kväve, som är de mest elektronegativa grundämnena. Vattenmolekyler binds samman med vätebindningar, där vätet i en molekyl binder till syret i en annan. Vätebindningar är ganska starka bindningar och det är orsaken till att vatten har hög kokpunkt. Vid smältning och kokning är det de svaga bindningarna som bryts, d.v.s. bindningarna mellan föreningarna. Eftersom bindningarna mellan molekylföreningar är svagare än bindningarna mellan jonföreningar, bryts de lättare och molekylföreningar har därför lägre kokpunkt och smältpunkt. Många molekylföreningar är gaser eller vätskor vid rumstemperatur, medan jonföreningar är fasta föreningar vid rumstemperatur. 5

11 1.5 Nomenklatur De tre aggregationsformerna är fast (s), flytande (l) och gas (g). Om ett ämne finns i vattenlösning skriver man (aq). En blandning består av flera ämnen, t.ex. NaCl löst i vatten. Om beståndsdelarna går att se är blandningen heterogen. Om beståndsdelarna inte går att se ens med mikroskop är blandningen homogen. En homogen blandning kallas även för en lösning. Det ämne som finns i störst mängd är lösningsmedel, ofta vatten. Om socker hälls i kallt vatten löser det sig inte så bra. Om sockret i stället blandas med varmt vatten löser det sig mycket bättre. Lösligheten ökar i regel med temperaturen. Om en kemisk förening består av två grundämnen, börjar namnet på metallen om en sådan ingår. Om föreningen består av två ickemetaller börjar namnet på det grundämne som ligger längst till vänster i serien nedan. Till det andra grundämnet lägger man till ändelsen id, t.ex. bornitrid (BN), väteklorid (HCl) och magnesiumnitrid (Mg3N2). B, C, P, N, H, S, I, Br, Cl, O, F Grekiska räkneord kan användas för att namnge hur många atomer av varje grundämne som ingår i formelenheten för ämnet, t.ex. kolmonoxid (CO), koldioxid (CO2) och tetrafosforhexaoxid (P4O6). Räkneorden är 1 mono, 2 di, 3 tri, 4 tetra, 5 penta, 6 hexa, 7 hepta, 8 okta, 9 nona och 10 deka. Negativa atomjoner slutar på id. Negativa sammansatta joner slutar på at eller på -it. Lär dig namnen och de kemiska formlerna för föreningarna i tabellen på nästa sida. 6

12 Tabell 1: Tabellen anger trivialnamn och kemiska formler på vanliga molekyler och joner. Kemisk formel Trivialnamn HCl Väteklorid HBr Vätebromid H2SO4 Svavelsyra HNO3 Salpetersyra H3PO4 Fosforsyra CH3COOH Ättiksyra OH - Hydroxidjon HSO3 - Vätesulfitjon HSO4 - Vätesulfatjon SO4 2- Sulfatjon NO3 - Nitratjon HCO3 - Vätekarbonatjon CO3 2- Karbonatjon H2PO4 - Divätefosfatjon HPO4 2- Vätefosfatjon PO4 3- Fosfatjon SO3 2- Sulfitjon F - Fluoridjon Cl - Kloridjon Br - Bromidjon I - Jodidjon O 2- Oxidjon S 2- Sulfidjon N 3- Nitridjon H - Hydridjon HS - Vätesulfidjon NH4 + Ammoniumjon NO2 - Nitritjon O2 2- Peroxidjon CN - Cyanidjon CH3OH Metanol C2H5OH Etanol H2S Svavelväte MnO4 - Permanganatjon 1.6 Massa, Substansmängd och Molmassa Eftersom massan för varje atom är så liten har en särskild enhet för atommassor införts som betecknas u bestämdes att massan för en atom 12 C ska vara exakt 12 u, vilket är mer behändigt än att säga att massan är 1, g. Atommassorna för varje grundämne anges i periodiska systemet. Molekylmassan är summan av atommassorna för de atomer som ingår i molekylen, uttryckt i enheten u. Formelmassan är massan av en formelenhet, d.v.s. massan av de atomer eller joner som ingår i formeln för det aktuella ämnet, uttryckt i enheten u. En formelenhet kan vara både jonföreningar, molekylföreningar eller grundämnen. 7

13 Substansmängden är ett mått på antalet formelenheter. Det finns samma antal formelenheter i 12 gram kol som i 63,5 g koppar och som i 32,0 g syre, O2. Eftersom antal atomer, joner och molekyler som deltar i en reaktion är väldigt stort, har storheten substansmängd införts, som är ett mer praktiskt mått på antalet atomer och molekyler. Substansmängden betecknas med n och enheten anges i mol. 1 mol av ett ämne innehåller alltid lika många formelenheter som det finns i 12 g 12 C, d.v.s. 6, stycken formelenheter. Talet är mätetalet i Avogadros konstant, vilken betecknas NA. T.ex. innehåller 1 mol kol 6, atomer och 1 mol syre (O2) innehåller 6, molekyler. Genom att multiplicera substansmängden (mol) med Avogadros konstant (formelenheter/mol) beräknas antalet formelenheter. Molmassan är atommassan uttryckt i g/mol och den betecknas Mv. Med hjälp av molmassan kan man omvandla mellan substansmängd och massa, där beräkningarna mellan de tre storheterna ska sitta i ryggmärgen. Mellan storheterna massa, substansmängd och molmassa gäller sambandet massa (g) substansmängd (mol) x molmassa (g/mol) m n x M v Egenskaper som kan mätas, t.ex. längd (l), massa (m) och molmassa (Mv) kallas för storheter. Alla storheter bestäms av ett mätetal och en enhet. Molmassan har enheten g/mol och massan kan ha enheten g. Om enheten ändras, så att massan anges i kg i stället, så ändras mätetalet. En massa som är 2567 g, får mätetalet 2,567 kg om enheten ändras från g till kg, eftersom det går 1000 g på ett kilogram. Se tabell 2 om prefix på nästa sida. 1.7 Beräkningar och omvandlingar mellan enheter När beräkningar görs är det bra att först skriva upp hela uttrycket med värden och enheter. Börja med att skriva upp det som är känt och skriv då ut både värdena och enheterna. Genom förkortning av enheter ser man om det blir rätt enhet kvar på slutet, och man kan se om beräkningen är rätt. Det är också bra att skriva ut vilket ämne enheten gäller för, eftersom det bara går att stryka enheter om enheten avser samma ämne. Ta för vana att alltid göra en enhetsanalys vid beräkningar för att undvika att göra slarvfel. I uppgiften nedan ska massan koldioxid beräknas som bildas vid förbränning av C3H8. Genom att skriva upp hela uttrycket först och förkorta enheter, så ser man att det bli gram kvar, vilket är rätt eftersom det är massan som efterfrågas. Genom att räkna allt i ett uttryck blir det inte fel i värdet för att man avrundat i de olika delberäkningarna. Reaktionsformel för reaktionen: C3H8(g) + 5 O2(g) 3 CO2(g) + 4 H2O(l) Omvandlar massa C 3 H 8 till mol C 3 H 8 Molmassa massa CO 2 = 100,0 g C 3 H 8 1 mol C 3H 8 44,09 g C 3 H 8 gco 2 Omvandlar mol C 3 H 8 till mol CO 2 3 mol CO 2 1 mol C 3 H 8 Omvandlar mol CO 2 till massa CO 2 44,01 g CO 2 = 1 mol CO 2 Det går bra att räkna ut ett steg i taget, men genom att ställa upp hela beräkningen i ett uttryck är det lättare att hålla ordning på enheterna. 8

14 Ibland behöver man omvandla mellan olika enheter. Då använder man sig av en omvandlingsfaktor. Man skriver upp enheterna och ser till att kunna stryka alla utom de enheterna man vill ha kvar på slutet, d.v.s. det som efterfrågas. Man vill kanske omvandla från 1, g till ton. Massa = 1, g omvandlingsfaktor 1kg 1000g Man vill kanske omvandla från 0,025 liter (l) till ml. Volym = 0,025 liter omvandlingsfaktor 1000 ml 1 liter omvandlingsfaktor = 25 ml Man vill kanske omvandla från 45 m/s till km/h. Hastighet = 45 m s omvandlingsfaktor 3600 s 1 h 1ton 1000kg omvandlingsfaktor 1 km 1000 m = 0,156 ton = 160 km/h 1.8 Avrundningar Efter att en beräkning gjorts måste svaret oftast avrundas. Avrunda uppåt om den sista siffran är över 5 och nedåt om siffran är under fem. Ta med lika många värdesiffror som det minsta antal i talets beskrivning. 14,348 cm 3 avrundas till 14,3 cm 3 om antalet värdesiffror ska vara 3, och till 14,35 cm 3 om givna data hade fyra värdesiffror. Antalet värdesiffror i 0,00751 är 3 stycken och antalet värdesiffror i 7,5010 är 5 stycken. 1.9 Prefix Tabellen nedan visar vanliga prefix. Prefix Namn Betydelse G giga 10 9 M mega 10 6 k kilo 10 3 d deci 10-1 c centi 10-2 m milli 10-3 µ mikro 10-6 n nano 10-9 p piko Tabell 2: Tabellen visar vanliga prefix 9

15 1.10 Uppgifter 1:1 Ange beteckning och namn för atomerna som har masstalet 197 och 118 neutroner i kärnan. 1:2 Hur många protoner, neutroner och elektroner finns i Uran, 238 U-isotopen? 1:3 Ange antalet valenselektroner hos atomer av a) syre b) brom c) kol d) fosfor 1:4 Skriv formler och beräkna molekylmassa eller formelmassa för följande föreningar a) salpetersyra b) ammoniak c) dikromtrioxid 1:5 Skriv formler och beräkna molmassan för följande föreningar a) kalciumkarbonat b) tetrafosfordekaoxid c) väteperoxid 1:6 Omvandla volymen 7500 cm 3 till enheten dm 3. 1:7 Anta att en C vitamintablett innehåller 1, väteatomer. Hur många mol väteatomer motsvarar det? 1:8 Beräkna molmassan för natriumsulfat. 1:9 Beräkna massan av 1,23 mol järn. 1:10 Beräkna substansmängden i 15,0 g klor. 1:11 Med kemisk analys bestämdes att 2,556 g jodsyra innehåller substansmängden 0,01456 mol. Bestäm jodsyrans molmassa. 1:12 Vit fosfor består av P4-molekyler. Hur många molekyler finns det i 12,0 g vit fosfor? 1:13 En bomullstuss vägde 0,5 g. Bomull består av så gott som 100 % cellulosa, (C6H10O5)n. Hur många kolatomer fanns i bomullstussen? [Uppgift från Elementa] 1:14 Ett bi som sticker utsöndrar ungefär 1 µ g isopentylacetat (C7H14O2), den ester som luktar banan. Troligen sker detta för att andra bin ska känna doften och komma till undsättning. Hur många molekyler av estern utsöndras vid ett typiskt bistick? [Uppgift från Elementa] 10

16 2 REAKTIONSFORMLER 2.1 Molförhållande Alkalimetallen natrium reagerar häftigt med vatten i en reaktion där vätgas och natriumhydroxid bildas. Reaktionen är balanserad när antalet atomer av varje ämne är samma på båda sidor om reaktionspilen. Siffran före varje förening kallas för stökiometrisk koefficient, där koefficienten 1 inte skrivs ut. Aggregationsformerna för de ingående föreningarna anges ofta inom parantes. 2 Na(s) + 2 H2O(l) 2 Na + (aq) + 2 OH (aq) + H2(g) Två atomer av natrium reagerar med två vattenmolekyler och bildar två natriumjoner, två hydroxidjoner och en molekyl vätgas. Eftersom samma antal formelenheter av olika ämnen utgör lika stora substansmängder, kan man även säga att när två mol Na reagerar med 2 mol H2O, bildas 2 mol NaOH och 1 mol H2. Den stökiometriska koefficienten anger därför molförhållandet mellan de reaktanter och produkter som deltar i en kemisk reaktion. 2.2 Balansering av reaktionsformler I de flesta reaktioner bryts kemiska bindningar i de ämnen som reagerar och nya bindningar bildas hos produkterna. Det försvinner aldrig några atomer eller bildas nya atomer i en kemisk reaktion. När antalet atomer av olika slag och laddning är detsamma på båda sidor om reaktionspilen sägs reaktionsformeln vara balanserad. Balansera reaktionsformler 1. Skriv upp reaktanterna till vänster och produkterna till höger om reaktionspilen. 2. Börja med att balansera det ämne som finns i minst antal molekylslag och balansera det ämne som finns i flest molekylslag sist. 3. Verifiera att reaktionen är balanserad genom att räkna atomerna för varje ämne. 4. Kolla att den totala laddningen är samma på båda sidor om reaktionspilen. 5. Skriv ut aggregationsformerna för reaktanterna och produkterna. 2.3 Utfällningsreaktioner När två saltlösningar blandas, kan en fällning av ett svårlösligt salt bildas. T.ex. när man blandar lösningar av blynitrat och natriumfosfat, bildas en fällning av det svårlösliga saltet blyfosfat. Lösningen som blir kvar består av natriumjoner och nitratjoner i huvudsak. Det bildade saltet, fällningen, kan separeras från lösningen genom filtrering. 3 Pb 2+ (aq) + 2 PO 4 3 (aq) Pb 3 (PO 4 ) 2 (s) När reaktionsformeln skrivs utelämnas de joner som inte deltar i reaktionen, s.k. åskådarjoner. Alla salter som innehåller natrium, kalium, ammonium samt nitrater är lättlösliga. Karbonater, fosfater, sulfider och hydroxider är i regel svårlösliga. De lättlösliga salterna är oftast i lösning, medan de svårlösliga tenterar att bilda en fällning. Genom att blanda en lösning som innehåller saltets positiva joner med en annan lösning som innehåller saltets negativa joner kan saltet fås som en fällning. 11

17 2.4 Syrabasreaktioner En syra är en förening som kan avge en proton, d.v.s. en vätejon, H +. När en syra reagerar med vatten bildas oxoniumjoner H3O +, när en proton överförs från syremolekylen till vattenmolekylen. Det är oxoniumjonen som ger de sura egenskaperna. Förenklat kan oxoniumjonen skrivas H +. HCl(g) + H 2 O(l) H 3 O + (aq) + Cl (aq) eller HCl(g) H + + Cl En bas är en förening som kan ta upp en proton, H +, t.ex. ammoniak eller hydroxidjonen. När en bas reagerar med vatten tar basen upp en proton från vattenmolekylen och en hydroxidjoner bildas. Det är hydroxidjonerna som ger de basiska egenskaperna. NH 3 (aq) + H 2 O(l) NH 4 + (aq) + OH (aq) En stark syra är praktiskt taget helt joniserad i vattenlösning, d.v.s. så gott som alla syramolekyler har förlorat sin proton till vattenmolekyler. Exempel på starka syror är HCl, HBr och HNO3. Svaga syror, t.ex. ättiksyra CH3COOH, är inte helt joniserade i vattenlösning, det finns samtidigt både ättiksyramolekyler, CH3COOH(aq), och acetatjoner CH3COO - i lösningen. Starka baser reagerar fullständigt med vatten och bildar OH - -joner. Svaga baser t ex ammoniak NH3 reagerar bara delvis med vatten, det finns samtidigt både ammoniakmolekyler och ammoniumjoner NH4 + i lösningen. När en syra reagerar med en bas kallas det för neutralisation. I rektionen bildas en vattenlösning av ett salt och vatten. En proton överförs från syran till basen. T.ex. när syran väteklorid reagerar med basen natriumhydroxid, bildas vatten enligt reaktionsformeln nedan och en vattenlösning av saltet natriumklorid. Natriumjoner och kloridjoner är åskådarjoner. H + (aq) + OH (aq) H 2 O(l) 12

18 2.5 Redoxreaktioner Oxidation och reduktion I en redoxreaktion överförs elektroner från ett ämne till ett annat. Det ämne som avger elektroner oxideras och det ämne som tar upp elektroner reduceras. I en redoxreaktion måste ett ämne ta upp elektroner samtidigt som ett annat ämne avger elektroner, och därför sker både en oxidation och en reduktion samtidigt. Oxidationsmedel är det grundämne som orsakar att ett ämne oxideras och själv reduceras, t.ex. syre, svavel och halogenerna som är strakt elektronegativa och lätt drar till sig elektroner. Halogenerna som har sju valenselektroner är oxidationsmedel som reduceras lätt eftersom de genom att ta upp en extra elektron får ädelgasstruktur (8 elektroner i valensskalet). Reduktionsmedel är det grundämne som är orsak till att ett annat grundämne reduceras och själv oxideras, t.ex. kalium, natrium, kalcium, magnesium, kol, väte och aluminium. Järn oxideras av klorgas till järnjoner samtidigt som klor reduceras till kloridjoner i reaktionen nedan. Klor är orsaken till att järn oxideras och är därför oxidationsmedel. Järn är orsaken till att klor reduceras och är reduktionsmedel. Oxidation: 2 Fe 2 Fe e Reduktion: 3 Cl 2 + 6e 6 Cl Summa: 2 Fe + 3 Cl2 2 FeCl3(s) Till vardags är syre är ett vanligt oxidationsmedel. Med hjälp av syret vi andas in, sker en förbränning, oxidation, av maten vi äter till koldioxid och vatten. Vid eldning av ved, olja och kol oxideras kolatomerna i bränslet till koldioxid. Klor är ett annat oxidationsmedel som används i desinfektionsmedel eftersom det oxiderar bakterierna till döds. Metallerna ordnas i den elektrokemiska spänningsserien efter reduktionsförmåga (se nedan). Ämnena längs till vänster är bra reduktionsmedel och oxideras lätt. Alkalimetallerna hamnar långt till vänster och de oxideras lätt, eftersom de har en stor drivande kraft att bli av med sin elektron i det yttersta skalet och få ädelgasstruktur. Om t.ex. kopparjoner Cu 2+ och zinkmetall reagerar med varandra kommer zink att oxideras till Zn 2+ och kopparjonerna kommer att reduceras till Cu(s). Metallerna långt till höger har en väldigt liten tendens att avge elektroner och bilda positiva joner. Metaller som står före väte kan reducera vätejoner till vätgas. K, Ba, Ca, Na, Mg, Al, Zn, Cr, Fe, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Hg, Ag, Pt, Au 13

19 2.5.2 Att balansera redoxreaktioner Redoxreaktioner balanseras genom att skriva två halvreaktioner, en för oxidationen och en för reduktionen. De två halvreaktionerna balanseras var för sig, för att sedan adderas på slutet. 1. Identifiera vilket ämne som oxideras respektive reduceras. 2. Skriv skeletten för de två halvreaktionerna d.v.s. vilka ämnen som deltar. 3. Balansera alla atomslag i de två halvreaktionerna utom H och O. 4. Balansera O och H. a. I sur lösning i. Balansera O genom att addera H2O på den sida av halvreaktionen som behöver O. ii. Balansera H genom att lägga till H + på den sida som behöver H. b. I alkalisk lösning i. Balansera O genom att addera H2O till den sida av halvreaktionen som behöver O. ii. Balansera H genom att addera en H2O på den sida som behöver H, och för varje H2O som adderas, sätt en OH - på motsatt sida. 5. Balansera de elektriska laddningarna genom att använda elektroner. Det ska vara samma laddning på båda sidor om pilen i varje halvreaktion. Elektroner är reaktanter i reduktionsreaktionen och produkter i oxidationsreaktionen. 6. Multiplicera en eller båda halvreaktionerna med ett lämpligt tal så att antalet elektroner i de två halvreaktionerna blir samma. De elektroner som avges i oxidationen ska användas i reduktionen. 7. Summera de två halvreaktionerna till en reaktionsformel som inte innehåller några elektroner, vilken blir den balanserade reaktionsformeln för redoxreaktionen. 2.6 Oxidationstal För att hålla reda på elektronerna kan man tilldela varje grundämne ett oxidationstal, ofta förkortat med OT, och som anges med romerska siffror. Oxidationstalet är den laddning en atom i en jon eller molekyl skulle ha om samtliga elektroner i bindningen tillhörde den mest elektronegativa atomen som deltar i bindningen. Vid överskott på elektroner är laddningen negativ och vid underskott är laddningen positiv Minnesregel: Det är positivt att ge bort något, t.ex. elektroner. +IV -II +III -II NO2 NO2 - En ökning i oxidationstal innebär en oxidation. En minskning i oxidationstal innebär en reduktion. Oxidationstalen kan även användas för att namnge kemiska föreningar, t.ex. CuO, koppar(ii)oxid och Cu2O, koppar(i)oxid, där den romerska siffran i parentesen anger oxidationstalet. 14

20 2.7 Uppgifter Skriv reaktionsformler för nedan angivna reaktioner. 2:1 Svavel reagerar med syre under bildning av svaveldioxid. 2:2 Kol reagerar med syre under bildning av kolmonoxid. 2:3 Magnesiumklorid löses i vatten. 2:4 Butan, C4H10, förbränns till koldioxid och vatten. 2:5 Till en lösning av silvernitrat sätts kaliumkloridlösning. 2:6 Vattenlösningar av natriumfosfat och bly(ii)nitrat blandas. 2:7 Vattenlösningar av ammoniumsulfid och kopparsulfat blandas. 2:8 Aluminium oxideras till aluminium(iii)oxid av syrgas. 2:9 Oxalsyra (H2C2O4) oxideras i sur lösning till koldioxid av permanganatjoner som reduceras till mangan(ii)joner. 2:10 Till en lösning som innehåller tetraklorostannat(ii)joner, SnCl 4 2, och utspädd saltsyra sätts dikromatjoner, Cr 2 O 7 2, som reduceras till krom(iii)joner. 2:11 Permanganatjoner oxiderar sulfitjoner i alkalisk lösning under bildning av fast mangandioxid och sulfatjoner. 2:12 Aluminiumpulver reducerar nitratjoner i alkalisk lösning till ammoniakgas varvid tetrahydroxoaluminat(iii)joner, Al(OH)4 -, bildas. 2:13 Jod oxideras i alkalisk lösning till jodatjon, IO3 -, av brom som reduceras till bromidjon. 2:14 I bägare I, som innehåller kopparsulfatlösning, placeras en bit aluminium. I bägare II, som innehåller aluminiumsulfatlösning placeras en bit koppar. I vilken bägare sker en reaktion? Skriv reaktionsformel för reaktionen. 15

21 3 STÖKIOMETRISKA BERÄKNINGAR 3.1 Kemiska formler En empirisk formel anger förhållandet mellan antalet atomer av de grundämnen som en förening består av. En molekylformel anger det faktiska antalet av varje atom i en förening. Exempelvis är den empiriska formeln för glukos CH2O, medan molekylformeln för glukos är C6H12O6. Molekylformeln visar att varje glukos molekyl består av 6 kolatomer, 12 väteatomer och 6 syreatomer. Den empiriska formeln ska anges med minsta möjliga heltal av atomerna. 3.2 Föreningars sammansättningar Ett ämnes substansmängdsammansättning anges av formeln. Exempelvis består 1 mol kalciumnitrat, Ca(NO3)2 av 1 mol Ca, 2 mol N och 6 mol O. Massammansättningen anger hur stor del av föreningens totala massa som kommer från varje grundämne eller ämne. Massammansättningen kan beräknas från föreningens formel och atomslagens molmassor. Utgå från 1 mol av ämnet och beräkna massan för varje ämne. Masshalten av varje grundämne fås genom att dividera med den totala massan för föreningen. Den empiriska formeln bestäms utifrån massammansättningen och molmassorna av de närvarande grundämnena. 3.3 Molförhållanden vid en kemisk reaktion 2 H2(g) + O2(g) 2 H2O(l) Om 1 mol O2 reagerar så bildas 2 mol H2O, d.v.s. molförhållandet för reaktionen är 1 mol O2 2 mol H2 2 mol H2O Vid stökiometriska beräkningar utnyttjas molförhållandet för att omvandla mellan kända och okända substansmängder. N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) Om 5,0 mol NH3 produceras krävs 2,5 mol N2 (beräkning nedan). Molförhållande mol N 2 = 5,0 mol NH 3 1 mol N 2 2 mol NH 3 = 2,5 mol N Beräkningar av massor av ämnen som deltar kemiska reaktioner 1. Skriv den balanserade reaktionsformeln för reaktionen. 2. Beräkna molmassorna för aktuella ämnen. 3. Skriv upp molförhållandet. 4. Utgå från det kända för att beräkna det sökta med hjälp av molförhållandet och molmassorna för de ingående komponenterna. Molmassa A m A n A Molfö rhållande Molmassa B n B m B 16

22 3.5 Reaktionsutbyte Vid syntes av ett ämne blir massan inte alltid så stor som beräknats enligt reaktionsformeln för reaktionen, för det kan ske sidoreaktioner och ett ämne kan försvinna i lösning. Utbytet i en reaktion kan därför bli mindre än 100 %. Genom att väga sin framställda produkt får man det verkliga utbytet, som är den verkliga mängd produkt som har bildats i reaktionen. Det teoretiska utbytet är den maximala mängd produkt som kan fås från en given mängd reaktant. Det teoretiska utbytet baseras på att varje molekyl av reaktant reagerar och ger produkt, samt att inga sidoreaktioner sker. Vid en syntes beräknas det teoretiska utbytet från den mängd reaktanter som vägs in och används i syntesen. För att beräkna det teoretiska utbytet måste man avgöra vilken reaktant som är den begränsande reaktanten. Begränsande reaktant är den reaktant som tar slut först och det är mängden begränsande reaktant som tillsammans med molförhållandet bestämmer det teoretiska utbytet av en produkt. Utbytet för reaktionen fås genom att dividera det verkliga utbytet med det teoretiska utbytet. Utbyte = Verkligt utbyte Teoretiskt utbyte Beränas utifrån invägda mängder av reaktanter i syntesen Procentuellt utbyte = Massan av produkten som framställts Verkligt utbyte 100% Teoretiskt utbyte Det är viktigt att använda samma enhet, t.ex. g eller mol för både det verkliga och det teoretiska utbytet. 17

23 3.6 Uppgifter Fortsätt att skriva reaktionsformler. I detta avsnitt och följande betecknas massprocent med % om inget annat anges. 3:1 Beräkna massammansättningen av kalciumnitrat. 3:2 En förening innehåller 32,2% Zr 4+, 40,2% F - och resten K +. Bestäm den empiriska formeln. 3:3 Hur många mol NH3 kan bildas av 2,0 mol H2 i följande reaktion om allt väte reagerar? N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g) 3:4 Propan (C3H8) är ett vanligt bränsle. Beräkna massan koldioxid som bildas när 100 g propan förbränns. 3:5 Järn kan framställas ur järn(iii)oxid och kol enligt reaktionsformeln 2 Fe2O3 + 3 C 4 Fe + 3 CO2 Beräkna massan av det järn som kan framställas ur 75 g järn(iii)oxid. 3:6 Beräkna massan av det kol som går åt för framställning av 2,5 kg järn i processen ovan. 3:7 Metallen titan kan framställas ur titandioxid genom reduktion med aluminium varvid aluminiumoxid (Al2O3) bildas. Skriv reaktionsformel för förloppet och beräkna hur mycket titan som kan framställas ur 1,00 ton titandioxid. 3:8 När magnesium upphettas i kvävgas bildas magnesiumnitrid, Mg3N2. Hur många gram magnesium åtgår för att framställa 75 g magnesiumnitrid? 3:9 Ammoniak framställs industriellt ur grundämnena genom reaktion i närvaro av en katalysator (Fe + Al2O3) vid 500 C och 300 bar: N2(g) + 3H2(g) 2 NH3(g) Hur stora massor kvävgas och vätgas krävs för att framställa ett ton ammoniak? Bildad ammoniak avskiljs kontinuerligt medan kvävgas och vätgas som inte reagerat återcirkuleras till reaktionskärlet. Vid beräkningen ovan kan du alltså anta att reaktionen enligt formeln ovan sker fullständigt. 3:10 Fosfor kan framställas ur difosforpentaoxid genom reduktion med kol. Reaktionen sker enligt formeln nedan. Beräkna massan av den fosfor som kan framställas ur 9,7 g difosforpentaoxid. Utbytet är 78 %. P2O5 + 5 C 2 P + 5 CO 18

24 3:11 När 24,0 g kaliumnitrat upphettades med bly, bildades 13,8 g kaliumnitrit. Beräkna utbytet för reaktionen. Pb(s) + KNO3(s) PBO(s) + KNO2(s) 3:12 Man blandar 45 g triklormetan, CHCl3, och 50 g brom, Br2, för att framställa bromtriklormetan, CBrCl3, enligt formeln CHCl3 + Br2 CBrCl3 + HBr Vilken är den största massan av bromtriklormetan man kan få? 3:13 Vätefluorid framställs genom att behandla flusspat, CaF2, med koncentrerad svavelsyra. Skriv reaktionsformeln och beräkna hur mycket kalciumfluorid och 98,0 % svavelsyra som åtgår för att framställa 250 kg vätefluoridlösning som innehåller 38,0 % HF. 19

25 4 HALTBESTÄMNINGAR 4.1 Lösningars halt Koncentration eller molaritet anger substansmängden löst ämne per volymenhet av lösningen. En lösnings koncentration brukar anges i enheten mol/dm 3 eller mol/l. Molariteten anges i molar och betecknas M. En molar är lika med en mol/l. Koncentrationen eller molariteten av en lösning är således antalet mol av löst ämne dividerat med lösningens volym i liter. En lösning med koncentrationen 1 mol/dm 3 innehåller 1 mol löst ämne per liter lösning. Koncentrationen kan även anges som massa löst ämne per volymenhet, och enheten är då g/dm 3. Substansmängd (mol) Koncentration (mol/l) Volym lösning (liter) c n V 1 liter = 1 dm 3 1 ml = 1 cm 3 1 dm 3 = 1000 cm 3 Molaliteten anger substansmängden löst ämne per kg lösningsmedel. Molalitet n löst ämne lösningsme del V lösningsme del Halter kan även anges i form av molbråk, viktbråk eller volymbråk. Alkoholhalten i vin, öl och sprit anges ofta med volymbråk. Molbråk = n löst ämne n totalt Viktbråk = m löst ämne m tot Volymbråk = V löst ämne V tot Om sockerlag ska tillredas, löses socker i vatten. Om 10,0 g socker (C12H22O11) löses i 200 ml vatten blir koncentrationen av sockret i lösningen. 1 mol C c(c 12 H 22 O 11 ) = 10,0 g C 12 H 22 O 12 H 22 O g C 12 H 22 O 11 n V m M V Dividerar med volymen ml Omvandlar från ml till l 1000 ml 11 = 0,146 mol l Koncentrationen av ett partikelslag, X, kan betecknas med en klammer. I en lösning av magnesiumklorid, MgCl 2, med koncentrationen 0,7 mol/l är [Mg 2+ ] = 0,7 mol/l och [Cl - ] = 2 0,7 mol/l = 1,4 mol/l. 20

26 4.2 Beredning av lösning Att göra lösningar med en bestämd koncentration är något som en kemist måste kunna. Att göra en lösning innebär ofta att ett fast ämne löses upp i ett lämpligt lösningsmedel. 1. Bestäm den volym lösning som ska beredas. Fundera på hur mycket som verkligen behövs. Det är onödigt att göra för mycket lösning. 2. Beräkna massan av ämnet som ska vägas in utifrån den önskade koncentrationen och volymen. (n = c V, m = n Mv) 3. Ämnet vägs upp noggrant på en våg och hälls ner i en mätkolv och löses i lite lösningsmedel (ofta avjoniserat vatten). Om det är svårt att lösa upp ämnet kan det vara nödvändigt att värma lösningsmedel i en bägare på en värmeplatta. Häll i det värmda lösningsmedlet i mätkolven. 4. När allt ämne löst sig och lösningsmedlet svalnat fylls mätkolven upp till hälften. Lösningen blandas noga genom att kolven vänds upp och ner och skakas ca 20 gånger. Fyll på med lösningsmedel upp till märket och blanda igen. 5. Den exakta koncentrationen på lösningen beräknas från den noggranna mängd av ämnet som vägdes in. Det kan vara bra att skriva på mätkolven vad det är för lösning som finns i den och vilken koncentration, dels för att inte ta fel lösning och för att veta vad det är för lösning om den spills ut på labbänken eller på golvet. När man gör lösningar är det viktigt att man är noga med volymer och mängder. Därför ska mätkolvar och pipetter användas. Mätcylindrar, bägare och E-kolvar kan användas om det inte är så noga med att koncentrationen bli exakt. Figur 4: Bild på bägare, E-kolv och mätkolv. 21

27 4.3 Spädning Om man har en lösning med en viss koncentration av ett ämne och mer vatten eller annat lösningsmedel tillsätts, så kommer koncentrationen av ämnet att minska. Den nya lösningen innehåller samma antal molekyler av ämnet men volymen är större. Det är vanligt att man först gör en lösning med en koncentration, som sedan används för att göra mer utspädda lösningar. Ofta görs en s.k. stamlösning med relativt hög koncentration och från den stamlösningen görs lösningar med lägre koncentration. Från stamlösningen förs en viss volym över med pipett till en mätkolv. Fyll först halva kolven med lösningsmedel och blanda noga genom att vända upp och ner på kolven ca 20 gånger. Fyll sedan på med lösningsmedel upp till märket. Det är viktigt att blanda noga igen så att koncentrationen blir samma i hela lösningen. Här är det viktigt att vara noga med volymerna. Koncentrationen på stamlösningen är känd och ofta vet man vilken koncentration som man vill ha och hur mycket av den nya lösningen som ska beredas. Då gäller det att beräkna den volym som ska pipetteras från stamlösningen till den nya mätkolven. n c 1 V 1 c 2 V 2 Stamlösningen har koncentrationen c1 och den nya koncentrationen är c2. Om den nya totala volymen är V2 ska man pipettera volymen V1 från stamlösningen för att få den sökta koncentrationen, d.v.s. en mer utspädd lösning. Man har en stamlösning av saltsyra med koncentrationen 4,0 M, och man vill göra en 2,5 dm 3 saltsyralösning med koncentrationen 0,16 M. Då måste volymen som ska pipetteras från stamlösningen beräknas. c2 V2 c1 V 1 Volym(4M HCl) = 0,16 M 2,5 dm 3 1 4,0 M = 0,10 dm 3 Två blandningar med olika koncentrationen av samma ämnen kan blandas och en ny koncentration av ämnet erhålls. Den nya koncentrationen beräknas genom att först beräkna den totala substansmängden, (c1 V1 + c2 V2), och dividera sedan med den totala volymen (V1 + V2). 4.4 Titreringar En titrering är ett experimentellt förfarande för att bestämma koncentrationen av ett ämne i lösning. Den lösning som ska koncentrationsbestämmas kallas för provlösning eller titrand, och finns i en E-kolv. Från en byrett droppas titratorlösning ner i E-kolven, som är under konstant omrörning. Titratorlösningen innehåller ett ämne som reagerar med det ämne som finns i provlösningen. Koncentrationen på titratorlösningen ska vara noggrant känd. Beroende på vilken typ av reaktion som sker vid titreringen talar man om syrabastitrering, redoxtitrering och komplexometrisk titrering. I en syra-bas titrering, är titratorn en bas om titranden är en syra, eller tvärtom. 22

28 I en titrering tillsätts titratorlösning droppvis till provlösningen, tills man når ekvivalenspunkten. Vid ekvivalenspunkten har all titrator som tillsatts reagerat med all titrand i provet, d.v.s. substansmängden tillsatt titrator är ekvivalent med substansmängden titrand som fanns i provet. För att indikera ekvivalenspunkten vid en syrabastitrering, används vanligen en syrabasindikator, som ger ett tydligt färgomslag vid ekvivalenspunkten. Procedur för att ställa en lösning Att ställa en lösning betyder att lösningens koncentration bestäms. 1. Använd volymen av titratorn och dess koncentration för att beräkna antal mol titrator som tillsattes från byretten. 2. Skriv en balanserad reaktionsformel och använd molförhållandet för att konvertera antal mol av titratorn till antal mol av titranden. 3. Beräkna koncentrationen av titranden genom att dividera antal mol titrand med volymen som fanns i kolven innan titrator började droppas ner i kolven. 4. Ibland efterfrågas massan av titranden, och då multipliceras substansmängden titrand med dess molmassan i stället i steg 3. 23

29 4.5 Uppgifter 4:1 En student gjorde en lösning genom att lösa 1,345 g kaliumnitrat i 25,00 ml vatten. Vilken koncentration fick lösningen? 4:2 Hur många mol sukros, C12H22O11, finns i 15 ml av en lösning med molariteten 0,10 M? 4:3 Kaliumpermanganat, KMnO4, är ett starkt oxidationsmedel som används till att rena vatten. Anta att vi har en flaska med 0,0380 M KMnO4 och vill ta ut 0,760 mmol. Hur stor volym av lösningen ska vi använda? 4:4 Beräkna massan fast bariumnitrat, Ba(NO3)2, som behövs om man vill bereda 0,50 dm 3 bariumnitratlösning med koncentrationen 0,25 mol/dm 3. 4:5 Till vilken volym ska man späda 15,0 cm 3 svavelsyra med koncentrationen 2,00 mol/dm 3 för att syran skall få koncentrationen 0,250 mol/dm 3. 4:6 Beräkna hur stor volym som ska pipetteras från en 0,0380 M KMnO4 lösning för att preparera 250 ml lösning med koncentrationen 0,0015 M. 4:7 Man behöver en lösning i vilken koncentrationen av nitratjoner är 0,2 mol/liter. Vilken av lösningarna nedan ska man välja? [Uppgift från Elementa] A B C D E 4:8 Koncentrerad saltsyra innehåller 37,0 % väteklorid och har densiteten 1,190 g/cm 3. Beräkna saltsyrans koncentration av väteklorid. 4:9 Luft har en medelmolekylvikt på 29 g/mol. Vilken molaritet har luft om dess täthet är 1, g/cm 3? [Uppgift från Elementa] 4:10 Då man sätter utspädd svavelsyra till en bariumkloridlösning bildas en vit fällning av svårlösligt bariumsulfat. Skriv reaktionsformel och beräkna hur stor massa bariumsulfat man högst kan få, om man sätter svavelsyra till 150 cm 3 bariumkloridlösning med koncentrationen 0,50 mol/dm 3. 4:11 Anta att 25,00 ml av en lösning med oxalsyra (H2C2O4) titreras med 0,500 M NaOH (aq) och att ekvivalenspunkten nås när 38,0 ml av basen har satts till lösningen. Beräkna oxalsyralösningens koncentration. 24

30 4:12 Järnhalten i ett stålprov bestämdes på följande sätt. 0,246 g av provet vägdes upp och löstes i utspädd svavelsyra varvid det bildades järn(ii)joner. Lösningen titrerades med kaliumpermanganat med koncentrationen 0,0200 mol/dm 3 varvid det åtgick 38,2 cm 3. Järn(II)jonerna oxiderades då till järn(iii)joner och permanganatjonerna reducerades till mangan(ii)joner. Skriv reaktionsformel och beräkna massprocenten järn i stålprovet. 4:13 Vid analys av ett kloridhaltigt salt upplöstes 0,9873 g i vatten och lösningen späddes till 250 cm 3. 50,0 cm 3 av denna lösning förbrukade 18,76 cm 3 0,100 mol/dm 3 silvernitratlösning. Skriv reaktionsformel för utfällningen av silverklorid och beräkna det ursprungliga provets kloridhalt uttryckt i massprocent. 4:14 Av en mättad vattenlösning av kalciumhydroxid (s.k. kalkvatten) tar man ut ett prov med volymen 50,0 cm 3 och titrerar med saltsyra med koncentrationen 0,100 mol/dm 3. Det åtgår 19,6 cm 3 saltsyra. Beräkna kalciumhydroxidens löslighet i g/dm 3 ur dessa experimentella data. 4:15 Vid rening av avloppsvatten använder man s.k. fällningskemikalie för att reducera bl.a. halten av fosfat. En sådan fällningskemikalie har handelsnamnet AVR och består av aluminiumfosfat och järn(iii)sulfat i proportionerna Al2(SO4)3 16H2O 85 % Fe2(SO4)3 9H2O 15 % Man gör en lösning som innehåller 106 g AVR/dm 3. Beräkna koncentrationerna av aluminiumjoner, järn(iii)joner och sulfatjoner i lösningen. 4:16 En kemist vill undersöka renhetsgraden hos ett prov av nikotinsyra, C5H4NCOOH, som är en enprotonig syra. Provet som har massan 0,456 g blandas med vatten och titreras med 36,3 cm 3 natriumhydroxidlösning med koncentrationen 0,1000 mol/dm 3. Beräkna massprocenten nikotinsyra i provet. Föroreningarna i provet förbrukar inte någon natriumhydroxid. 4:17 Kiseltetraklorid är en vätska med densiteten 1,49 g/cm 3. Den reagerar med vatten enligt formeln: SiCl4(l) + 2H2O SiO2(s) + 4HCl(aq) 5,0 cm 3 flytande kiseltetraklorid sattes till vatten. Lösningen filtrerades och volymen justerades så att den blev 400 cm 3. Vilken molaritet har den erhållna saltsyran? [Uppgift från Elementa] 4:18 Hur stor volym svavelsyra (densitet 1,104 g/ml och 15,0 massprocent) går åt för att framställa 18,7 g aluminiumsulfat enligt reaktionsformeln nedan? [Elementa] 2Al(s) + 3H2SO4(aq) Al2(SO4)3(aq) + 3H2(g) 4:19 För att analysera den anabola steroiden fluoxymesteron (C20H29FO3) framställdes en standardlösning av detta ämne genom att lösa 10 g av ämnet och späda till 0,500 l. 100 µl av standardlösningen späddes till 100,0 ml. Beräkna den sistnämnda lösningens molaritet. [Elementa] 25

31 5 IDEALA GASER 5.1 Gaser Det finns många livsviktiga gaser, t.ex. syre (O2) som behövs för andning, koldioxid (CO2) som behövs för fotosyntesen och ozon (O3) som skyddar oss mot skadlig UV-strålning. Av grundämnena är N, O, H, He, F, Cl och ädelgaserna gaser under normala förhållanden, där ädelgaserna är enatomiga och de andra sex är molekyler. Molekylerna i en ideal gas antas inte ha någon egenvolym och påverkar inte varandra med några krafter. Allmänna gaslagen, pv = nrt, gäller för ideala gaser, men för de flesta verkliga gaser är allmänna gaslagen en bra approximation vid normalt tryck och normal temperatur (1 atm och 0 C). En gas kan lösa sig i vatten, t.ex. är fiskarna beroende av att löst syre och vattenväxterna är beroende av löst koldioxid. Lösligheten av en gas minskar med temperaturen och det är därför som fiskar kan dö av syrebrist på sommaren när en sjö har värmts upp. 5.2 Allmänna gaslagen En gasmolekyl är ständigt i rörelse och ändrar bara riktning när de kolliderar med en annan molekyl eller med en behållares vägg, och därför kommer en gas i en behållare att uppta hela behållarens volym. Eftersom det är mycket tomrum mellan gasmolekylerna går det lätt att pressa samman en gas så att volymen blir mindre. En gas utövar ett tryck (kraft per ytenhet) mot behållarens väggar genom att gasmolekylerna kolliderar med väggarna. Ju fler kollisioner med väggarna och ju högre hastighet gasmolekylerna har desto högre blir trycket. Antalet kollisioner med väggarna ökar ju fler gaspartiklar som finns i behållaren, vilket ger ett högre tryck. Det betyder att trycket är proportionellt mot substansmängden gas, p n (Avogadros princip). Antalet kollisioner med väggarna ökar ju mindre volymen är, vilket betyder att trycket är omvänt proportionellt mot volymen, p 1 (Boyles lag). V 26

32 Ju högre temperaturen är, desto fortare rör sig gasmolekylerna och det medför att antalet kollisioner ökar, vilket betyder att trycket är proportionellt mot absoluta temperaturen, p T (Charles lag). Sambanden ovan mellan tryck, temperatur, volym och substansmängd kan sammanfattas i gasernas allmänna tillståndslag även kallad allmänna gaslagen: pv = nrt Om SI-enheter används, så anges trycket (p) i Pascal, volymen (V) i m 3, substansmängden (n) i mol och temperaturen (T) i Kelvin. R är allmänna gaskonstanten där R = 8,3145 J mol -1 K -1 (1 J = 1 dm 3 kpa eller 1 m 3 Pa). Om volymen beräknas och man räknar med trycket i kpa är det dm 3 som man får ut, medan beräkning med Pa ger volymen i m 3. Var noga med att skriva upp alla enheter. Om trycket är givet i en annan enhet än Pascal kan andra värden på R användas, men det är bättre att räkna om trycket i Pascal och använda SI-enheter och R = 8,3145 J mol -1 K -1. Andra användbara värden på R är R = 0, dm 3 bar mol -1 K -1 R = 62,364 dm 3 torr mol -1 K -1 R = 0, dm 3 atm mol -1 K -1. När trycket anges i bar, torr eller atmosfärer kan det räknas om till pascal. 1 bar = 10 5 Pa = 100 kpa 1 atm = 1, Pa = 101,325 kpa 1 torr = 133,322 Pa Absoluta temperaturen (T) ges i Kelvin där: T = t ( C) + 273, Molvolym Molvolymen (Vm) anger hur stor volym en mol av en gas intar. Molvolymen kan beräknas från molmassan (g/mol) och gasens densitet (g/dm 3 ). V m = V n = V m/m = M m/v = M ρ Vid temperaturen 25 C och trycket 1 bar (10 5 Pa) är molvolymen för en ideal gas Vm = 24,8 dm 3 /mol. Densiteten för en gas är massan per volymenhet, och kan beräknas från trycket och molmassan för gasen om temperaturen är känd. V m = V n = R T p = M ρ 27

33 Om man vill jämföra två gasers densitet med varandra för att se vilken som är lättast respektive tyngst, är det bara att jämföra deras molmassor. Om jämförelsen ska göras med luft, får man jämföra molmassan med medelmolmassan för luft, som är 29,0 g/mol. Figur 5: Att varmluftsballongen kan lyfta beror på att luften inuti ballongen har högre temperatur, och därmed lägre densitet än den omgivande luften. 5.4 Stökiometriska beräkningar med gaser Det är viktigt att veta hur mycket gas som bildas i en reaktion, eftersom för mycket gas kan innebära en explosionsrisk. Volymen gas som förbrukas, eller volymen gas som produceras i en reaktion kan beräknas utifrån molförhållandet för reaktionen, om trycket och temperaturen är konstant. Massa A Molförhållande Mol A Mol B Volym B Molmassa A V = nrt/p 5.5 Daltons lag Om flera gaser är blandade i en behållare, är gasblandningens totala tryck (p) lika med summan av de tryck (deltryck eller partialtryck), som varje gas skulle utöva om den fanns ensam i behållaren. p = p1 + p