Det centrala grundämnet i den organiska kemin (sid , )

Transkript

1 Björne Torstenson sid 1 A Det centrala grundämnet i den organiska kemin (sid , ) Vilket grundämne är stommen i livets kemi? Det finns i många andra ämnen. Det har en oxid som man lätt påvisar. Oxiden är en gas. Blanda lite av provet med dubbla volymen koppar oxid, CuO. Ordna enligt figuren. Upphetta. prov + kopparoxid kalkvatten prov druvsocker salt mjöl gips etanol (alkohol) påvisat grundämne kommer från växt- eller djurriket Slutsats: B Hur förenar sig kol med andra atomer? När kol förenar sig med andra ämnen kommer de att dela på elektroner. Dvs elektronerna kommer att virvla runt båda ämnenas kärnor. Detta binder samman atomerna och ämnena kommer att ha ett gemensamt elektronpar. Undersök med hjälp av kulmodeller hur många bindningar (gemensamma elektronpar) olika ämnen har. Färg Atomtecken Antal bindningar Antal elektroner i yttersta skalet Antal elektroner med bidningarna vit H grön Cl röd O blå N svart C

2 Björne Torstenson sid 2 C Enkla föreningar mellan kol och väte - kolväten sid , 159) Se i boken s 122 och rita in strukturformel och molekylformel för några enkla kolväten. Kolväte Strukturformel Molekylformel metan etan propan butan pentan oktan Ämnena bildar en regelbunden ordnad serie som börjar med metan. För varje nytt kolväte i serien kommer det till kolatom och väteatomer i molekylen. Namnet på kolväten slutar på ändelsen -an. Metan, etan, propan (gasol) och butan är gaser som används som bränslen. Oktan ingår tex i bensin. Metan och etan ingår i naturgas, som ofta finns i fickor i jordskorpan tillsammans med olja (petroleum). I oljan finns blandningar av oerhört många kolväten. Olja och naturgas har bildats av döda växter och djur som utsatts för högt tryck och hög temperatur. (Se om uppdelning av olja till olika kolväten på nästa sida) D Vad händer när kolväten brinner? Skriv en formel som visar vad som händer när metan brinner i luft..

3 Björne Torstenson sid 3 Destillation av råolja: Vid ett raffinaderi uppdelas oljan i olika beståndsdelar genom destillation. Först upphettas oljan så att den övergår i gasform. Därefter leds oljan in i höga torn där det blir kallare ju högre upp gasen kommer. Kolväten med högst kokpunkter skiljs ut längst ner i tornet, medan kolväten med lägre kokpunkter skiljs ut högre upp i tornet. bild ur Gleerups NO KEMI E Framställning av etyn (acetylengas) (sid 125, 133) Prova om gasen brinner med en tändsticka. Gasen som bildas är etyn och har formeln Hur ser bindningarna ut? Etyn är en kolförening och innehåller en bindning. En sådan bindning kan påvisas med jodlösning.

4 Björne Torstenson sid 4 Led ner gasen etyn i jodlösning. Vad händer med jodlösningen? F Omättade kolföreningar Undersök vilka av kolföreningarna nedan som är omättade. Skaka lite av provet med hälften jodlösning. Om ämnena inte blandas så låt stå en stund efter skakningen. Kolförening oljesyra kokosfett terpentin * stearinsyra ** Jodlösningen blir: Omättad kolförening? olivolja * I dragskåp, små mängder ** Lös lite vit stearin i lite etanol. Värm försiktigt så att det blir genomskinligt. Rita nedan strukturformel för eten och etyn. Se boken s 125 Vad säger oss ändelserna -en och -yn? Vilka fetter är mest nyttiga? Ur Kemi2 för gymnasieskolan, Boren mfl: Ett lättflytande fett(majsolja, olivolja, sojabönsolja) har hög halt av oljesyra (enkelomättad fettsyra). Det sägs därför vara omättad. Även fleromättade fettsyror, tex linol- och linolensyra, kan ingå. I särskilt hög grad gäller detta majsolja och sojabönsolja. Fetter med högt innehåll av fleromättade fettsyror anses från kostsynpunkt värdefullare för kroppen än mättade fetter, tex kokosfett. Fettsyrasammansättning Matfett mättade i % enkelomättade i % fleromättade i % smör margarin bordsmargarin majsolja

5 Björne Torstenson sid 5 G Alkoholer (sid ) Alkoholer är en familj av kolväten som har bytt ut en väteatom mot atomgruppen OH. Namnet på alkoholer slutar på OH. Om mer än en väteatom bytts ut mot OH-grupp i samma molekyl bildas andra alkoholer som glykol och glycerol. Alkohol Strukturformel Molekylformel metanol etanol propanol glykol glycerol Bygg en molekyl metanol och en molekyl vatten och jämför. Vilka likheter finns? H Undersökning av alkoholer Undersök om alkoholer är lösliga i vatten, om de brinner och vilka som kan tändas vid rumstemperatur. Instruktioner: Löslighet i vatten: Förmåga att tändas: Ta ett par cm 3 vatten färgat med karamellfärg i ett provrör. Sätt till lika del av provet. Skaka. Ta 10 droppar av varje alkohol i var sin form. Försök tända ångan ovanför vätskeytan. Finns det någon skillnad på färgen i lågornas spets. Vad kan denna skillnad bero på i så fall?

6 Björne Torstenson sid 6 Alkohol antal kol löslig i vatten? brinner?, lågans spets? metanol 1 etanol 2 propanol 3 butanol 4 pentanol 5 glykol 2 glycerol 3 Slutsats: I V o l y m p r o c e n t g l y k o l i v a tte n Fryspunktskurva för blandningar av glykol och vatten. F r y sp u n k t i C fryspunkt i Fryspunktskurva för blandningar av glykol och vatten Volymprocent glykol Vilken blandning är billigast att ha i bilkylaren om man vill att den ska klara -30 C utan att frysa? J Organiska syror ( ) Om öl eller vin får stå en tid i kontakt med luft brukar det blir surt. Etanol har då reagerat med luftens syre och en syra har bildats enligt: (skriv formeln med ord) Det är samma syra som finns i matättika. Den kallas etansyra eller ättiksyra och förkortas ibland med HAc. Rita strukturformeln för ättiksyra:

7 Björne Torstenson sid 7 Ättiksyra är en svag syra och förekommer i vatten som: Se strukturformler och kemiska formler för stearinsyra och oljesyra i boken sid 133. Kännetecknande grupp för alkoholer är och för syror K Ringformiga molekyler sid Rita förenklade strukturformler samt anteckna något om ämnet i tabellen nedan: Ämne Strukturformel Anteckningar Druvsocker Stärkelse Cellulosa

8 Björne Torstenson sid 8 M Stärkelsemolekyler Avsikt Försök att påvisa att det är druvsockermolekyler som bygger upp stärkelsemolekyler. Metod Bryt ned stärkelsemolekyler genom att koka den med utspädd svavelsyra (katalysator) Instruktioner: Slamma upp en sked stärkelse (potatismjöl) i lite kallt vatten. Häll uppslamningen i 20 cm 3 kokhett vatten i en bägare. Koka försiktigt i 2 min. Då bildas stärkelseklister. Bered en utspädd jodlösning genom att späda till ljusgul färg. Fördela den på flera provrör. Prova lite av stärkelsen i små provrör dels med reagens på stärkelse och dels med reagens på socker (se anmärkning) Resultat (av ursprungligt prov): ( Anmärkning: Stärkelse påvisas genom att jodlösning blir blåfärgad Socker påvisas genom att tillsätta 10 droppar kopparsulfat + så mycket natriumhydroxid att färgen blir djupblå samt värma försiktigt, vilket skall ge tegelröd färg med socker (glukos) Se figur nedan: ) Tag sedan en sked av stärkelseklistret och lös i lite vatten i en bägare. Koka stärkelselösningen försiktigt tillsammans med ett par cm 3 utspädd svavelsyra. Ta ut ett prov och se om det fortfarande innehåller stärkelse genom att prova med jod. Fortsätt att koka till dess jodlösningen visar att stärkelsen inte finns kvar. (Det kan dröja åtminstone15 min) Tillsätt ev mer Svavelsyra. Undersök sedan om det bildats socker istället. Om inte fortsätt kokningen och försök på nytt. Tillsätt ev mer Svavelsyra. Resultat: (av nedbrutet prov):

9 Björne Torstenson sid 9 L Alkohol och syra kopplas till ester (sid 135, 145) Framställ en ester genom att blanda lika delar alkohol, syra och konc svavelsyra (katalysator) i ett stort provrör som värms i kokhett vatten i en stor bägare. Prova lukten. (Ex Pentanol + etansyra ger lukt av ) Skriv upp strukturformeln för den ester som bildades och ringa in den utmärkande delen för estrar. Alkohol + syra ger + Fett är estrar av glycerol och fettsyror. Se boken sid 145 och rita en förenklad strukturformel för ett fett. N Vi framställer plast sid 176 Recorcinol och metanal är två organiska ämnen som tillsammans kan bygga upp nätformiga jättemolekyler, en plast. Som katalysator kan användas natriumhydroxidlösning eller svavelsyra. Instruktioner: Arbeta i dragskåp! Blanda lika volymdelar resorcinol och formalin i en form. Rör om så att det löses. Tillsätt några droppar av en katalysator (NaOH eller H 2 SO 4 ). Om ingen reaktion inträffat efter ett par minuter: Värm försiktigt under formen med en tändsticka. Rita hur polyeten framställs ur etenmolekyler (se bok sid 176 )

10 Björne Torstenson INSTUDERINGSHJÄLP Använd häftet, och angivna sidor i Puls Kemi Grundbok. A Det centrala grundämnet i den organiska kemin. (sid , Molekyler hålls ihop med starka bindningar) B Hur förenar sig kol med andra atomer? 1. Vilket grundämne är centralt i organisk kem? 2. Hur kommer detta grundämne in i levande organismer? 3. Hur binder detta grundämne till sig andra atomer? Hur många bindningar finns det och varför? C Enkla föreningar mellan kol och väte kolväten (sid , 159) D Vad händer när kolväten brinner? 4. Ange namnen och formeln för de första 5 enkla kolvätena. 5. Vad heter kolvätet med 8 kol? 6. Vad bildas när kolväten brinner? 7. Varifrån får man kolväten? 8. Hur separeras olika kolväten? E Framställning av etyn (sid 125, 133) F Omättade kolföreningar 9. Ange strukturformel för eten och etyn. Hur ser bindningarna ut? Vad menas med ett omättat ämne? 10. Hur kan man påvisa att ett ämne är omättat? 11. Vilka fetter anses mest nyttiga och vad kännetecknas dessa av? G Alkoholer (sid ) H Undersökning av alkoholer I Fryspunktskurva 12. Vilken grupp är kännetecknande för alkoholer 13. Namnge de tre första alkoholerna. Ange även vanligt namn för de två första. 14. I laborationen med olika alkoholer undersöktes lösligheten i vatten och hur lågan såg ut. Vilka slutsatser kunde man dra av detta och varför? 15. Vad används glykol till? J Organiska syror (sid ) 16. Hur bildas en organisk syra? 17. Vilken grupp kännetecknar en sådan syra? 18. Ange kemisk formel för Ättiksyra, samt förklara vad som menas med att den är en svag syra.

11 Björne Torstenson K Ringformiga molekyler (sid ) M Stärkelsemolekyler INSTUDERINGSHJÄLP 19. Ange strukturformel för druvsocker. 20. Druvsocker kan bilda andra kolhydrater. Vilka och hur ser deras molekyler ut? 21. Vad sker med stärkelse i matspjälkningen? L Alkohol och syra kopplas till ester (sid 135, 145) 22. Vilka två ämnen bildar en ester? 23. Var träffar vi på estrar? 24. Hur bildas fetter? N Vi framställer plast. (sid 176) 25. Hur bildas polyeten?

12 Hög / Gym Stenungsundsindustrierna Petrokemi på västkusten Materialet "Från raff till rengöring" handlar om hur svart, kletig råolja kan förvandlas till saftflaskor, leksaker, tvättmedel, plastgolv, mediciner, kabelisolering och tusentals andra produkter som omger oss dagligen. Denna förvandling äger till stor del rum på Sveriges västkust, där det finns raffinaderier i Göteborg och Lysekil och där Sveriges petrokemiska industri har sitt centrum i Stenungsund. Etenmolekylen är en viktig länk i produktionskedjan från olja till färdiga produkter. Eten är uppbyggd av två kolatomer och fyra väteatomer, och används som byggsten i många olika reaktioner i fabrikerna i Stenungsund. Etenmolekylerna produceras i en krackugn, där olika kolväten hettas upp och spjälkas till korta och omättade kolvätemolekyler - bl a eten. Produkterna från krackern används sedan av de andra industrierna i Stenungsund, dit de skickas genom rörledningar med en sammanlagd längd på 90 mil! Figur 5 Eten - en viktig molekyl i förvandlingen. Följande text ger en kort inblick i råoljans väg genom de olika fabrikerna. Råoljan importeras främst från Norge, och består av en blandning av tusentals olika kolväteföreningar. Varje dygn omsätter svenska raffinaderier m 3 råolja. Ur denna utvinns varje dygn bl a m 3 motorbränsle. Oljeprodukterna används sedan för att tillverka plaster, tensider, lösningsmedel, mjukgörare och mycket, mycket mer Inte bara separation i "raffet" Den blandning av ämnen som kallas råolja, är egentligen oanvändbar. Därför raffinerar man råoljan, dvs man värmer upp och separerar oljan i ett destillationstorn. Då får man blandningar, sk. fraktioner, som innehåller ämnen med kokpunkter inom ett visst intervall. Lite förenklat kan man säga att varje fraktion innehåller ämnen med ungefär lika långa kolvätekedjor (se Figur 6). Eftersom man får ut mer eldningsolja (som består av långa kolkedjor) än vad som behövs, samtidigt som man får ut för lite bensin (som består av kortare kolkedjor), hettar man upp eldningsoljan - så att de långa kolkedjorna klyvs i kortare delar. Denna process kallas krackning. I raffinaderiet sker många andra processer, t ex renar man bort svavel, tillverkar specialbensin, ökar bensinens oktantal och ser till att det inte bildas vaxkristaller i dieseloljan på vintern. Krackern ger omättade molekyler Till hamnen i Stenungsund kommer etan, propan och butan från de norska naturgasfälten och nafta från raffinaderierna. Dessa råvaror leds till Borealis kracker, där de hettas upp till ca 800 C. Då bryts bindningar mellan kolatomer och mellan koloch väteatomer, så att det bildas vätgas och korta, omättade kolväten, bl a eten och propen. Varje timme strömmar det t ex ut ca 70 ton eten och 25 ton propen ur Borealis krackugnar. Gaserna leds vidare till de omkringliggande industrierna genom rörledningar. 37 Petrokemi på västkusten

13 Stenungsundsindustrierna Hög / Gym Polyeten hos Borealis Största delen av det eten som tillverkas i Borealis kracker används av Borealis polyetenfabrik, där tusentals etenmolekyler reagerar med varandra och bildar polyeten - vår vanligaste plast! Tillverkningen sker efter flera olika principer, vilket resulterar i olika typer av polyeten (låg- och högdensitetspolyeten). En tunn hinna av polyeten gör t ex att man kan förpacka mjölk i pappkartonger! PVC-plast hos Hydro På Hydro tillverkar man världens näst vanligaste plast - polyvinylklorid (PVC) - med eten som råvara. Tillverkningen sker i tre steg: först tillverkas klorgas av koksalt och elektrisk energi, sedan reagerar eten med klorgas och bildar kloroeten (kallas även vinylklorid), och till slut reagerar tusentals vinylkloridmolekyler till långa kedjor - polyvinylkklorid. Antagligen står du just nu på ett golvmatta av PVC! Oxidation och mycket mer hos Akzo Nobel Akzo Nobel tillverkar en annan användbar molekyl genom att låta eten reagera med syre och bilda etenoxid. Etenoxid är en mycket reaktiv molekyl, och därför lämplig för olika synteser. I en av Akzos fabriker låter man etenoxid reagera med ammoniak och bilda etanolaminer. I en annan låter man etanolaminer reagera med vätgas och mer ammoniak och bilda etylenaminer. I en tredje fabrik får etenoxid reagera med en mängd olika fettlösliga ämnen och bilda olika tensider. I en fjärde fabrik kan man specialdesigna tensider åt olika företag. Här kan man verkligen tala om molekylverkstad! Utan moderna tensider skulle vår värld inte se ut som den gör. Tensider finns i tvättmedel, schampo, balsam, sköljmedel, vattenlöslig färg, ogräsmedel, djurfoder, osv 11. Oxosyntes hos Neste Den fjärde petrokemiska fabriken i Stenungsund är Neste Oxo, som använder både propen och eten från krackern. Först tillverkar man en blandning av kolmonoxid och vätgas, av olja, vattenånga och syre. Denna kolmonoxid/vätgasblandning får sedan reagera med eten respektive propen i en reaktion som kallas oxosyntes. Då bildas propanal respektive butanal, som är viktiga utgångskemikalier för tillverkning av många andra ämnen. Butanal används t ex för att göra mjukmedel till PVC-plast. De övriga produkterna säljs till andra företag, där de används till bl a lim- och färgtillverkning. Frågor om stenungsundsindustrierna Hög 1. Ge fyra exempel på hur eten används i fabrikerna i Stenungsund. 2. Hitta exempel i klassrummet eller i ditt hem på produkter som helt eller delvis har sitt ursprung i Stenungsund. 11 Titta gärna på Akzos hemsida så får du fler förslag på användningsområden Petrokemi på västkusten 38

14 Från råolja och naturgas till hundratals produkter Preem Raffinaderi m.fl. Råolja Raffineringsgas Gasol Bensin Flygbränsle Diesel / Villaolja Eldningsolja Smörjolja Bitumen Raffinering Här delas råoljan upp i fraktioner med olika kokpunktsintervall. C1 - C2 C3 - C4 C4 - C10 C10 - C14 C13 - C23 C24 - C30 C31 - C40 C40 - Gasseparation Naturgas Här separeras de olika gaserna från gasfälten t ex i Norge. BOREALIS Polymerisation Bränngas Eten Här polymeriseras tusentals etenmolekyler till långa kedjor. HYDRO POLYMERS 39 Etan Propan Butan Nafta Bränngas Eten Vätgas Klorering Polymerisation Här reagerar eten med klor och bildar vinylklorid. Sedan polymeriseras tusentals vinylklorid till långa kedjor. Polyeten (PE) Plastråvara Klor Polyvinylklorid (PVC) Plastråvara Bränngas AKZO NOBEL BOREALIS Krackning Olika krackugnar för olika råvaror. Råvarorna hettas upp så att molekylerna spjälkas i mindre delar. Bränngas Oxidation Olika synteser Eten Här reagerar eten med syre och bildar etenoxid. Etenoxid reagerar med bl a ammoniak eller fettalkoholer. Eten Vätgas Propen NESTE OXO Eten Oxosyntes Olika synteser Här reagerar propen med kolmonoxid och vätgas och bildar butanal. Butanal reagerar med vätgas eller syrgas eller en annan butanal. Syre Tensider Aminer, mm Kolmonoxid & Väte Syre Oxoalkoholer, mm T ex mjukgörare, butanol, propansyra, oktanol. Figur 6 Råoljan raffineras i ett raffinaderi. Naturgasen separeras i en gasseparationsanläggning. Råvarorna - etan/propan/butan från naturgasen eller nafta (C6 - C10) från råoljan - transporteras med båt till krackern i Stenungsund. I krackern hettas råvarorna upp så att bindningar i molekylerna bryts. Då bildas korta, omättade kolväten, t ex eten och propen. Eten från krackern används av samtliga petrokemiföretag i Stenungsund, medan propen endast används av NesteOxo. Samtliga företag behöver även bränngas (blandning av metan/vätgas) för att värma sina reaktorer mm. Även krackern eldas med bränngas. Ren vätgas används av Neste Oxo bl a för att hydrera aldehyder till alkoholer. Vätgas skickas till krackern från Hydro, som får vätgas som biprodukt vid klorgasframställningen. 39 Petrokemi på västkusten