Kemispråket. Inom kemin används ett gemensamt språk av tecken för olika ämnen. Förr i tiden använde vi tecken för att visa ämnet.

Transkript

1 Kemispråket Inom kemin används ett gemensamt språk av tecken för olika ämnen. Förr i tiden använde vi tecken för att visa ämnet. Tecknet för krigsguden Mars användes även för järn. Men i takt med att mänskligheten hittade fler ämnen så fick vi behov av att visa detta på ett mera rationellt sätt. Så Jöns Jakob Berselius, Uppsala, skapade de forkortningar vi har idag. Dmitrij Mendeleev ordnade sedan det periodiska systemet som vi redan nämnt. Inom kemin använder man sig även av molekylmodeller för att visa ett ämnes struktur. Detta har vi tittat på vid en labb. Detta är ju en labb som börjar bli aningen arkaisk. Att bygga modeller av en molekyl för hand med plastbollar tillhör det förgågna men ger ändå en begreppsbild över hur ämnet ser ut. Vi har även använt oss av datorprogram med färdiggjorda 3d-bilder av avancerade molekyler, så som acetylcholin-receptor och hemoglobin t.ex. Repetera hur vi skriver mängdformler för: Vatten, syre, etanol, etandiol, metan, etan, kolsyra, koldioxid. Ämnens egenskaper Alla ämnen har olika egenskaper. Olika egenskaper är: Fast, flytande, gas, plasma. Färg. Form. Smak? Doft? Smältpunkt, kokpunkt, flampunkt. Densitet. Vi kommer att titta på olika ämnen, dess egenskaper, samt själva hitta egenskaper som man kan tillföra ämnena. Skillnaderna i egenskaper beror på vilka sorts atomer som ämnet består av om det är ett grundämne. Om det är en molekyl blir det ännu svårare, eftersom egenskaperna beror på hur atomerna sitter ihop och vilka som är inblandade.

2 Det är tydliga och lätt förståliga skillnader mellan järn och syre, men inte lika lätt att direkt se att polyvinylalkohol är en alkohol precis som etanol eller glukos eller glykol. Polyvinylalkohol i burk. (Bild:LhchEM; I rumstemperatur är vi vana vid att se ämnen i en viss fas. Järn är fast, luft är en gas och vatten är flytande. Även kvicksilver, Hg, är flytande samt bor, Br.. Ämnena kan byta fas, eller finnas i olika faser vid samma temperatur. Vatten som är flytande finns även i luften i form av vattenånga som vi inte kan se. Om det bildas kondens på ett fönster t.ex., eller i duschen, så är detta inte vattenånga utan vatten i flytande form. Det går att mäta vattenhalten i luften med en hygrometer, eller med två termometrar, den ena torr och den andra blöt. Skillnaden mellan den första, temperatur och den andra, daggpunkt, visar fuktinnehållet i luften. När desa två temperaturer ligger nära varandra, så bildas det ofta dimma. Dimma är som moln, vattenånga som kondenserat och då kan vi se den. Ser vi vattnet i luften så blir den övriga sikten sämre. Vi kan tillverka en apparat för att mäta temp/dagpunkt. Vatten är intressant i detta fall, eftersom det har speciella egenskaper och namn på när det byter fas från flytande till fast frysa. Det kan även övergå från fast till vattenånga utan att passera flytande, då kallas det sublimera. Även järn kan bli flytande fast först vid 1600C. Syre kan stelna, vid -218,79C. Vid -273,16C som kallas den absoluta nollpunkten stelnar allt. Denna temperatur kallas även 0 K, noll Kelvin, INTE noll grader Kelvin. Detta får oss att fundera på vad värme och temperatur egentligen är. Om vi börjar vid den absoluta nollpunkten -273,16C, så är molekylerna helt

3 stilla. Om vi tänker oss den tommaste platsen i universum. Lägger dit en vattenmolekyl och låter den ligga utan att den rör sig, då är temperaturen 0K. Om den rör sig, bara lite, kanske vänder på sig, så får den en temperatur. Om vi skulle kyla ned jorden till absoluta nollpunkten, så skulle även luften frysa och stelna. Luften är en blandning av gaser. (Bild: NASA, utan upphovsrätt). Jordens atmosfär fotad från Discovery, 21 dec Luftens sammansättning av olika gaser. Gas ppm i atmosfären % i atmosfären Kväve N ,080 Syre O ,946 Argon Ar ,934 Koldioxid 400 0,04 Neon Ne 18,18 0, Helium He 5,24 0,00524 Metan 1,745 0, Krypton 1,14 0, Väte H 0,55 0, Ppm parts per million 1/

4 Den intresserade kan slå upp de olika ämnenas fryspunkter och se vilka som fryser först, och vilka som fryser därefter. I den ordningen kommer de också att regna ner på jorden och bilda en frusen skorpa dessa ämnen i tur och ordning. Hur kan ett ämne finnas i olika faser fast det är samma molekyl eller grundämne? I en isbit ligger molekylerna väldigt stilla. I en väl ihoppressad isbit ligger vattenmolekylerna i ett ordnat mönster. Detta ger isen dess blåa färg. (Bild: Patrik Cavallini)

5 (Bild: P99am; I bilden ovan är det flytande vatten till vänster och is till höger. När isen blir vit som snö, så har det stora blocket spruckit upp så att ljuset reflekteras i alla riktningar. Därför blir isen vit när den faller sönder. När vattnet övergår i gasform så sitter inte molekylerna ihop alls. (Bild: Qwerter; water.svg) Så värme är rörelse. Molekylernas inbördes rörelse. Temperatur är ett mått på rörelseenergin hos ämnets molekyler eller atomer.

6 **Detta med blå färg är långt bortom kunskapskraven för grundskolan och gymnasiet. Men den intresserade kanske vill fantisera om detta ändå. Läs om den allmänna gaslagen och se hur temperaturen påverkar trycket och omvänt. där p = gasens tryck (i N m -2 ) V = gasens volym (i m 3 ) n = substansmängd eller molantal (i mol) R = gaskonstanten (8,3145 J mol 1 K 1 ) T = absoluta temperaturen (i Kelvin). Det är detta vi ser när det färgade strecket i termometern stiger när detblir varmare. Molekylerna i vätskan rör sig mera och ämnet sväller. När det blir kallare sker det motsatta och strecket sjunker. Temperatur är ett mått på energi värmeenergi. I fysiken kommer vi att titta närmare på energi. Detsamma gällde luften i PET-flaskan. När det blev kallare så drog luften ihop sig och flaskan sjunk ihop. När det blev varmare så expanderade luften och flaskan blåste upp sig igen. Detta utnyttjar man i jetmotorer. Man eldar i en kammare så att luften blir varm. Varm luft expanderar. Så man låter den pysa ut baktill i motorn och suger in ny, kall luft fram. Densitet Här har jag inga bilder. Anledningen är att ni ska anstränga er för att försöka få egna minnesbilder över hur demonstrationen genomfördes. Vi har tittat på vid en demonstration i labbsalen hur olika ämnens densitet påverkar dess egenskaper. Vi införde begreppet DENSITET. Densitet är ett ämnes massa (kg) delat med dess volym ( m 3 ) densitet=m/v. vi använde oss av gram och kubikcentimeter cm 3. Detta för att 1 cm 3 =1 ml. 1ml är en tusendels liter. Som standard anger man densitet i kubikmeter, m 3. Först testade vi en bit skumplast och en bit trä av samma storlek för att se om de flöt på vatten. Träbiten flöt något lägre än skumplasten. Vi räknade ut vattnets densitet och fann att i vårat fall vägde 1l 980g. Vattnets densitet är definierat som vattnets densitet vid +4 C 0,99995 kg/dm 3

7 Väldigt nära ett kilo för en liter. Våran uträkning stämmer alltså, eftersom vårat vatten var varmare än 4 C. Skumbiten hade en densitet på 0,04g/ cm 3. Träbitens densitet var 0,76 g/ cm 3. De hade lägre densitet än vattnet och flöt därför i vattnet. Vi blandade även salt NaCL i vatten och färgade det rött. Vi hällde det i en avdelad skål, så att vi hade osaltat, grönt vatten i ena halvan och rött saltvatten i den halva. Vad hände när vi tog bort avgränsningen? Ni som har möjlighet ska hemma bada och räkna ut eran egen densitet enligt instruktion. Denna densitet ska vi jämföra med vattnets. Ämnen med låg densitet lägger sig på ämnen med högre densitet. Om nu vattnet har densiteten 1kg/100 cm 3, flyter eller sjunker du i vatten? Eftersom saltvattnet hade högre densitet än sötvattnet så förstår ni varför det är annorlunda att simma i saltvatten än sötvatten. Separation av ämnen I industrin finns det behov av att separera ämnen från varandra för att kunna framställa t.ex. järn eller uran för olika ändamål. Under labbarna i biologi och kemi har vi lärt oss olika separationsmetoder. Den första vi gjorde i biologin var en kromatograf. (Bild: _Step_7.jpg)

8 Vi gjorde en labb till i biologin där vi tittade på celler av lök i mikroskop och hur de reagerade på saltlösning. Av detta lärde vi oss om osmos. Osmos, eller omvänd osmos, kan användas för att avsalta saltvatten till dricksvatten eller för dialys rena blod när njurarna är sjuka. Filtrering - som när man filtrerar kaffe. Dekantering när man helt enkelt häller bort det man inte behöver utan att spilla ut för mycket av det vi vill ha. Sedimentering är en typ av dekantering som används i reningsverk. Centrifugera vi kanske vill ha ut vattnet ur kläderna vi tvättat, eller få ut juicen ur en apelsin, eller centrifugera ut blodplasma ur blod, eller anrika uran. Centrifugeringen går till så att det tyngre uranet hamnar längst ut mot väggarna i centrifugen och det lättare U-235 närmare mitten. Gör man hål i centrifugens väggar rinner t.ex. vattnet ut och kläderna blir torrare. Destillering är en vanlig metod.

9 (Bild: H Padleckas created this picture in December H Padleckas 16:47, 27 December 2005 (UTC)) Man har en lösning 15 som man värmer. Ångorna stiger upp genom 3 och vidare ut genom 5. Genom 6&7 leds kylvatten för att ångorna ska kondensera till vätska och droppa ut genom 8. Destillering används för att dela upp råolja till bensin, fotogen och asfalt t.ex. Rena ämnen blandningar och lösningar Luften vi nämnde tidigare i avsnittet om temperatur är ju en blandning av olika gaser. Dessutom finns det aska, gummipartiklar av bildäck, avgaser m.m i luften. Ämnen i en blandning kan man alltid skilja åt. I luften kan man skilja dessa åt genom filtrering och destillation. Fast istället för att värma luften så kyler man den. Jämför uppgiften om i vilken ordning gaserna i luften skulle frysa. På detta sätt framställer man kväve och syre, neon och argon. Rena ämnen är inte blandade med något. Kvävgasen i en kvävgastub eller syret i en syretub är rena ämnen. Ett rent ämne kan vara både ett grundämne som i fallet med syretuben, eller en molekyl, som socker. Båda går att framställa rena. Tittar ni på ett sockerpaket så innehåller det 99,9% socker.

10 Det fnns olika slags blandningar: legering, lösning, emulsion och uppslamning. En kopp kaffe med socker är en lösning. I den är ämnena uppdelade i så små bitar att man inte kan se dem. Om man t.ex. har smutsat ner händerna med tjära så kan man inte tvätta bort det med vatten. Då får man använda andra lösningsmedel, som lacknafta eller matolja. Man kan även tvätta med tvål eller diskmedel, men då får man en emulsion. Blandningar är inte bara flytande. Fryser man ett glas saft så får man smaksatt is. Smälter man två metaller och låter dessa stelna så får man en legering. Mässing är en av dem, brons en annan, zirkalloy en tredje. Vi får i oss en speciell blandning vid varje andetag...vilken? Om vi blandar salt i vatten så kommer vi att märka att det inte går att blanda mer än en viss mängd salt i vattnet. Denna lösning kallas mättad. Om man värmer vätskan kan man lösa mera salt i den. När vätskan svalnar återgår lite av saltet till fast form igen. Om det inte gör det så kallas lösningen övermättad. Vissa blandningar existerar bara en kort stund. När du ska göra en toppreding i HKK, så blandar man lite mjöl med vatten i en shaker och skakar. Denna lösning existerar bara en kort stund innan mjölet faller till botten. Detta kallas uppslammning. I detta kapitel har i hittills titta på det kemiska skrivspråket. Vi har även sett vatten förändras och anta tre av sina fyra eller fem former. Vi vet intuitivt att ämnen kan förändras. Fysikalisk förändring I vattnets fall när det övergår från fast form till flytande och vidare till gasform så förändras det fysikaliskt. Från fast till flytande säger vi att det smälter. Från flytande till gasform säger vi att det förångas. Från flytande till fast så fryser vatten, andra ämnen stelnar. Vatten kan även gå från fast form till gas UTAN att passera den flytande fasen. Då kallas det sublimering. Då ämnet går från gas till fast form kallas det deposition. Detta kan vi visa med ett enkelt experiment. Då dimma som är underkyld fryser fast på saker är det dock fråga om vattendroppar, om än små, som fryser, alltså inte deposition. Kemisk reaktion Om vi har två ämnen t.ex. syre och väte som vi tänder eld på. Då sker det en kemisk reaktion. Av två ämnen så har vi fått ett nytt, med nya egenskaper. Kemiska reaktioner sker hela tiden i kroppens celler. Det sker även på andra

11 ställen. När maten förbränns skapas energi. I en bilmotor eller ett oljekraftverk sker det också förbränning som skapar energi i form av värme. Precis som i börja av kapitlet så använder vi oss av kemiska formler för att mera kortfattat beskriva reaktionen. Vi har sett dem tidigare. Om vi eldar olja som mestadels består av C-atomer och H-atomer, så kommer dessa att reagera med syret i luften. Vad säger denna reaktionsformel? Beskriv i ord. Som vi kan se från ovan så försvinner ingenting. Det ändrar bara skepnad. Detta leder till: Energiprincipen (eller lagen om energins bevarande) är termodynamikens första huvudsats och går ut på att energi inte kan skapas eller förstöras, utan bara omvandlas från en form till en annan. Denna tittar vi närmare på i fysiken, men lär in utantill! Vad är skillnaden på en fasförändring och en kemisk reaktion? Vad är en kemisk reaktion? Vad är en mol? Hur lyder energiprincipen? Vis kemiska reaktioner måste vi ofta tillföra energi för att den ska påbörjas. Om vi eldar är det sällan brasan självantänder. För att tända en eld måste vi tillföra energi, från en tändsticka, eller vid en skogsbrand från en fimp, blixt, eller något. Ska branden fortsätta så måste vi underhålla den på något sätt. I en fyrtaktsmotor tillförs bensin och luft hela tiden så att branden i motorn kan fortsätta. Dessutom har motorn en bästa arbetstemperatur. Om motorn är kall på vintern så kan den vara svårstartad. Bränslen kan vara fasta eller flytande. Men det är egentligen bara gaserna som brinner. Därför hade man förr i tiden en förgasare i bensinmotorer för att just skapa gas av bensinen så att den skulle brinna. Är bränslet i fast from eller flytande så är det för lite syre i kontakt med bränslet och därför brinner det inte. Om man då värmer bränslet eller förångar det på annat sätt, genom att sänka lufttrycket t.ex, så bildas det brännbara gaser. Trä är kanske svårt att förgasa, men bensin fungerar så. På flaskor med etanol, T-Röd, står det ibland flammpunkt. Det är den temperatur vid vilken ämnet bildar brandfarliga gaser. För etanol är det 11C.

12 För att underhålla branden i en motor så måste man gå igenom fyra takter. 1. Insugning. Tillför en explosiv blandning av bensin och luft. 2. Kompression. Trycker ihop den. 3. Förbränning. Tänder eld på blandningen. 4. Utblås. Gör sig av med avfallet. En vedbrasa fungerar på samma sätt. Insugningen är luft som strömmar underifrån till elden. Bränslet ligger redan på högen. Kompression har vi ingen så utfört arbete får vi på annat sätt, genom att värma en vattenpanna så att vi får ånga som kan driva ett turbinhjul och vi får el. Men trycket i pannan ökar ju mer vi värmer, alltså har vi kompression. Så fungerade ångloken. Utblåset får vi av att röken stiger. Draget i skorstenen. För att det ska kunna bli en brand så beskriver vi förutsättningarna med brandtriangeln. (Bild"Fire triangle". Licensierad under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons - gle.svg) Oxygen syre. Heat värme. Fuel bränsle. Tar vi bort en av dessa så slutar branden. Har vi inget bränsle blir det ingen brand, nästan löjligt. Har vi ingen bensin i bilen... Tar vi bort syret kväver vi elden. Kyler vi tillräckligt så får vi inga gaser som kan brinna, då blir det ingen eld. Så när vi släcker en eld med vatten är det nedkylningen som gör att det slocknar, men även syrebrist. Koldioxid, halon tränger undan syret.

13 För att släcka oljekällor som brinner blåser man ofta ut dem som ett ljus. Man kyler. Fast inte som ett ljus, man monterar två jetmotorer på en stridsvagn och kyler med motorernas utblås branden tills den slocknar. Sedan återstår arbetet med att täppa igen hålet. Är branden mindre intensiv så släcker man med skum. *På känsliga ställen som en ubåt eller i ett flygplan måste man vara försiktig så att inte syret tar slut när det brinner eller när man släcker. Annars spelar det ju ingen roll. Glödbränderna som återstår efter att lågorna slocknat släcker man med vatten. Även det ett problem i en ubåt. *På hangarfartyg, där en havererat flygplan orsakar explosionsartade bränder bland andra tankade flygplan samt människor på begränsad yta har man fri tillgång till havsvatten, men hettan är stark dessutom flyter fotogen på vatten. Om ni hemma friterar eller gör något så att matolja eller annan olja börjar brinna, lägg ett lock på kastrullen eller fritösen. Annars får ni en brandexplosion. Utan syre kvävs ju elden. (bild:"uss Enterprise (CVN-65) burning, stern view" by U.S. Navy - U.S. Navy National Museum of Naval Aviation photo No Licensed under Public Domain via Commons -

14 65)_burning,_stern_view.jpg#/media/File:USS_Enterprise_(CVN- 65)_burning,_stern_view.jpg) Vad behövs för att det ska kunna brinna? Rita brandtriangeln och förklara den. Varför ska man aldrig hälla vatten på brinnande olja? Varför får man inte ha motorn igång när man takar bilen?