KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi F6 Deskriptiv Kemi Huvudgrupperna Atkins & Jones kap 15
Motivering Kemisk allmänkunskap Trender Förutsäga egenskaper Användningsområden Vad finns?/vad finns inte? Biologiska Icke-biologiska Artificiella system Kemins inflytande på samhälle och biologi KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 2
Periodicitet, trender och det periodiska systemet Mendeleevs periodiska system (1869) KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 3
Periodiska systemet KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 4
Trender - Huvudgrupperna De flesta kemiska egenskaper och trender kan förklaras utifrån förhållandet mellan kärnladdningen och antalet samt avståndet till valenselektronerna Effektiv kärnladdning och skärmning (shielding) Högre skal ligger längre ifrån kärnan För huvudgrupperna som har sina valenselektroner i s- och p- orbitaler vilka ligger relativt nära kärnan och därmed är skärmningen av elektronerna inte så effektiv KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 5
Trender Atom- och jonradie OBS! Skilj på katjoner och anjoner! KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 6
Trender Joniseringsenergi Joniseringsenergi Den energi som krävs för att avlägsna en elektron Jmf t.ex. Alkalimetaller och halogener 1a joniseringsenergin (kj/mol) KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 7
Trender Polarisabilitet Polariserbarhet Hur lätt elektronmolnet runt en atom kan formas/förskjutas av ett närliggande elektriskt fält KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 8
Trender Elektronaffinitet Elektronaffinitet Energi som frigörs när en elektron tillförs en atom i grundtillståndet Är högst till höger i periodiska systemet Inte lika tydlig trend i grupperna KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 9
Trender Elektronegativitet Elektronegativitet Hur starkt en atom i en förening drar till sig elektrontäthet KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 10
Framställning Ångreformering Från kol eller naturgas Väte (1s 1 ) Vattengas / Syngas (Synthesis Gas) Vattengasjämvikten ( G 0 298 C = -29 kj/mol) Elektrolys Laboratorier Framtiden? KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 11
Föreningar av väte och dess egenskaper H 2 Mycket användbart för reduktioner och hydrogeneringar (t.ex. av N 2, omättade kolväten mm) H + (proton, vätejon ) H - (hydridjon) Kovalenta hydrider, t.ex. BH 3, AlH 3 Vätebindningar (N,O,F) Donator Acceptor KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 12
Alkalimetaller (ns 1 ) Li, Na, K, Rb, Cs, Fr Egenskaper Starkt reducerande Mjuka, låg densitet, låg smältpunkt Basiska oxider (NaOH, Li 2 O) Skillnad sura och basiska oxider (kovalent eller joniskt inslag) Framställning Na-metall - Downs processen CaCl 2 tillsätts för att sänka smältpunkten för NaCl. Varför bildas inte Ca metall? Kalium löser sig för mycket i CaCl 2 (l) NaOH framställs genom elektrolys av vattenlösning av NaCl Kloralkaliprocessen Användning Li batterier Katjon salten mycket vanliga (NaHCO 3, NaCl, KBr) Na + och K + biologiskt mycket viktiga KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 13
Alkaliska jordartsmetaller (ns 2 ) Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra Egenskaper Metalliska (Be dock vissa ickemetalliska egenskaper) Starkt reducerande Högre smält- och kokpunkter än alkalimetallerna Basiska oxider och hydroxider (MgO, CaO, Ca(OH) 2 ) Framställning av metaller Elektrolys eller kemisk reduktion av klorider eller oxider Användning Magnesium lättaste metallen för konstruktioner Mg 2+ och Ca 2+ biologiskt viktiga Mg 2+ - Klorophyll, DNA och RNA klyvning/bildning Ca 2+ - Tandemalj & benvävnad Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) (hydroxy apatite) Be - röntgenrör, legeras med Cu för ökad styrka KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 14
Egenskaper B: halvledare Al, Ga, In, Tl: metalliska Borgruppen (ns 2 p 1 ) B, Al, Ga, In, Tl Al mest förkekommande metallen i jordskorpan Viktiga koncept och föreningar Borax: Na 2 B 4 O 7. 10H 2 O Används i värmetåligt glas Borsyra är en svag syra BX 3 och AlX 3 (X = H, F, Cl, Br, -CH 3 etc) starka Lewis syror KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 15
Framställning Aluminium Hall processen: Elektrolys av alumina (Al 2 O 3 )smälta med grafitelektrod Na 3 AlF 6 (Cryolite) tillsätts för reduktion av smältpunkten 1 ton Al kräver 15 000 kwh och 17 miljoner ton produceras per år! Ren Al 2 O 3 fås från Bayer processen Syntetisk cryolite KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 16
Kolgruppen (ns 2 p 2 ) C, Si, Ge, Sn, Pb C: icke-metall, max 4 bindningar Si, Ge: halvledare 4-6 bindningar Sn, Pb: metaller Skillnader mellan C och Si: Inerta C-C bundna kolkedjor och dubbelbindningar Max bindningstal C 4; Si 6 Beror till stor del på skillnad i storlek, elektronegativitet samt tillgång på d-orbitaler (Si) Oxider av C och Si är sura (CO 2, SiO 2 ) KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 17
Kolets kretslopp KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 18
Kolets kretslopp och Växthuseffekten KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 19
Viktiga former av kol: Grafit (sp 2 ) Diamant (sp 3 ) Kol och Kisel Fullerene (C60, Buckminsterfullerene) Stenkol (Coal) - Fossilt kol med låg vätehalt (75-90% C) Koks (Coke) Stenkol upphettad utan luft (O 2 ), högre kolhalt, mindre flyktiga ämnen Träkol (Charcoal) Trä eller organiskt matrial upphettat utan luft Framställning Kisel Diamant Grafit C60 Zonsmältning KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 20
Silikater Kvarts Kvartsit Kristoballite Smaragd Silica SiO 2 naturligt förekommande i kvarts och sand Ortosilikater Enskilda SiO 4-4 joner t.ex. Zircon ZrSiO 4 (Fejk diamanter) Sorosilikater Avgränsade flerkärniga silikater Beryll, smaragd Exempel Sorosilikater KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 21
Silikater Pyroxener Enkla kedjor av SiO 4 2- (SiO 3 2- )- Jade NaAl(SiO 3 ) 2 Inosilikater - Två eller fler parallella silikatkedjor t.ex. Tremolite Ca 2 Mg 5 (Si 4 O 11 ) 2 (OH) 2 (en typ av asbest) Fyllosilikater Oändliga skikt t.ex. talc Tektosilikater Rymdnätsstruktur t.ex. fältspat och zeoliter Aluminatsilikater Si(IV) delvis utbytt mot Al(III) t.ex. mica, beryll, Zeolit struktur KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 22
Kvävegruppen Pniktogenerna (ns 2 p 3 ) Egenskaper N, P: icke-metaller As, Sb: halvledare Bi: metall N 2 är en mycket stabil förening Atmosfäriskt innehåll (76 %m) Två viktiga allotroper av P Vit (P 4 ) och röd fosfor Vit fosfor: Mycket reaktiv och giftig! Fosforescent i fuktig luft. Röd fosfor: Mindre reaktiv KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 23
Kvävefixering Ammoniakframställning via Haber-Bosch processen Kräver hög temperatur (400 ºC) och därmed högt tryck (200 atm) H 2 från ångreformering ( CO 2 utsläpp) eller elektrolys (dyrt) Ammoniak används främst till gödningsmedel och sprängämnen och är den mest producerade kemikalien i mol räknat Biologisk kvävefixering görs av bakterier vid låga temperaturer och tryck (1 atm) m.h.a. enzymet nitrogenas med FeMo co-faktor KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 24
Kväves kretslopp KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 25
Viktiga kväve och fosfor föreningar Kväveoxider och syror (tabell bok) HNO 3 Salpetersyra NO 2 kvävedioxid radikal HNO 2 Salpetersyrlighet NaNO 2 natrium nitrit (konservering av kött) NO kväveoxid (neurotransmittor, radikal) N 2 O dikväveoxid (lustgas) H 2 N 2 O 4 undersalpetersyrlighet KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 26
Fosforsyror och anhydrider Fosforsyra och anhydrider H 3 PO 4 fosforsyra Adenosin trifosfat (ATP) Ca 5 (PO 4 ) 3 OH hydroxyapatit viktigt mineral, finns även i ben och tandemalj KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 27
Syregruppen Kalkogenerna (ns 2 p 4 ) O, S, Se: icke-metaller Te, Po: halvledare (Po radioaktiv) Skillnader syre och svavel O 2 (23 %m atmosfären), O 3 (ozon) S 8 (ring), kan bild långa kedjor (katenering) och ringar (S 6-20 ) O 2 paramagnetiskt; S 8 diamagnetiskt Framställning O 2 genom destillering av kondenserad luft Svavel bryts m.h.a. Frasch processen eller produceras genom oxidation av H 2 S i naturgas. KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 28
Svavelsyra Världens viktigaste kemikalie, H 2 SO 4. Framställs i större mängd (massa) än någon annan oorganisk kemikalie. Framställs via kontaktprocessen Används vid framställning av gödningsmedel, rengöringsmedel, petroleumprodukter etc etc etc Utsläpp av SO 2 stort miljöproblem, varför? SIV!! KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 29
Halogenerna (ns 2 p 5 ) F, Cl, Br, I, At Alla halogener är icke-metaller (At radioaktiv) F det mest elektronegativa elementet Ox. Tal -1 F 2 det mest oxiderande och reaktiva ämnet. Kräver elektrolys (av KF i HF) för framställning F 2 och Cl 2 fås via elektrolys av anionsalt (KF resp. NaCl) Br 2 och I 2 genom kemisk reduktion av anionsalt m.h.a. Cl 2 Användning F 2 till teflon och fluorerade kolväten Cl 2 för kemikalie produktion (org. och oorg.), blekning mm NaClO (natrium hypoklorit) används i desinfektions och blekmedel Br 2 för organisk syntes, flamskyddsmedel NaI i bordssalt med jod; I 2 i form av I 3 - som redoxpar i TiO 2 solceller HF mycket farlig syra (trots pk a ~3.0) och löser glas. Varför? (jmf HCl pk a -7). KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 30
Ädelgaserna (ns 2 p 6 ) He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (Rn radioaktiv) Mycket oreaktiva (inerta) monoatomära gaser Alla utom He och Rn utvinns genom distillation av kondenserad luft He utvinns ur naturgas som kan innehålla upp till 7 % He, (Rn från radioaktivt sönderfall av Ra) 4 He 2+ kallas för -partikel och bildas vid radioaktivt sönderfall Flytande helium används som kylmedium ( 4K) för magnetröntgen, NMR mm Ne används i neonskyltar färgämnen olika färger Xe den enda ädelgasen som bildar någorlunda stabila kemiska föreningar t.ex. XeF 4, XeO 3 KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 31