Periodiska systemet Betygskriterier - Periodiska systemet För att få godkänt ska du... Veta vad atomer är för något, rita upp en modell av en atom. Veta skillnaden mellan en atom och en jon. Känna till att joner är mycket vanligare än atomer i vår tillvaro och kunna ge en rad exempel på var i din omgivning du träffar på joner. - Känna till lite om några vetenskapsmäns arbeten (Einstein, E=mc 2 ) Veta hur radioaktivitet uppstår. (Radioaktiva substanser avger joniserande strålning) - Känna till i stora drag hur periodiska systemet är uppbyggt Veta vilka typer av joniserande strålning (alfa, beta, gamma) som finns och lite om deras olika egenskaper. Känna till hälsorisker med radioaktivitet. Veta lite om hur vi kan använda oss av radioaktivitet. Veta vad som menas med bakgrundsstrålning och vad den kommer ifrån. Veta vad som menas med ett radioaktivt ämnes halveringstid. Veta vad som menas med isotoper av ett atomslag och hur man kan använda sig av dem. Veta vad kol-14-metoden är för något. Veta i stora drag hur kraftverk baserade på fossila bränslen och på kärnbränsle fungerar samt hur de påverkar miljön. Veta skillnaden mellan fission och fusion och kunna ge exempel på där detta förekommer. För att få väl godkänt ska du också kunna... Veta vad det periodiska systemet är och lite om hur atomerna där är ordnade. Känna till vilka slags joner atomerna i olika delar av periodiska systemet vill bilda och varför. Känna till några praktiska exempel på när joner övergår till atomer och tvärtom. Veta på vilka sätt olika atomer kan reagera med varandra för att bli nöjda, jon- och molekylföreningar. Veta hur man med hjälp av joner kan hitta andra joner i ett prov som ska undersökas. Veta att det inte bara är atomsorten i sig som bestämmer materians egenskaper utan också hur atomerna sitter ihop med varandra och ge exempel på detta. Känna till det elektromagnetiska spektrumet, hur våglängden varierar i det och varför just den kortvågiga strålningen är så farlig. Känna till fler exempel på energiteknik och kunna jämföra olika energiteknik ur miljö- och hälsosynpunkt. Veta lite om skillnaden mellan en atombomb och ett kärnkraftverk samt hur en atombomb verkar. Kunna göra beräkningar med halveringstider, t.ex. C-14-metoden. Kunna på ett noggrannare sätt redogöra för det kosmiska kretsloppet, dvs. stjärnors och solsystems födelse och död. Känna till mer om var och hur jordens grundämnen har bildats. För att få mycket väl godkänt ska du dessutom... Genom att titta i periodiska systemet kunna förutsäga vilka atomer som kan tänkas reagera med varandra, kunna ge förslag på molekyler som då bildas och kontrollera om de finns. Mer om materians innersta delar. Veta vad som menas med en sönderfallskedja och hur grundämnen då bildas ur varandra. Känna till vad vi gör med kärnkraftsavfallet i Sverige. Veta lite om hur nya grundämnen bildas i solen och i andra större stjärnor. - Kunna diskutera och argumentera för atomfysikens roll i samhället och vetenskapen 1
- Känna till hur materia uppstod i universums begynnelse. Länkar: http://lankskafferiet.skolverket.se/sidor/0_7_1_5.html Lyssna (en del överkurs finns här) http://www.komvux.osteraker.se/cfl/nk1202w/m01_materia/003_3_060_sammanfattningatom.htm Periodiska systemet: http://www.webelements.com/index.html http://www.studera.com/nytto/persys/per_sys.htm http://www.touchspin.com/chem/displaytable.html http://www.nordlov.dk/atom/index.htm Ordlista - kortfattad Atomnummer - Det nummer som är tilldelat varje grundämnet utifrån hur många protoner det har. Bakgrundsstrålning - Den naturliga strålningen som omger människan, kommer från naturligt radioaktiva ämnen i jorden och från rymden Elektron - negativt (-) laddad elementarpartikel som kretsar runt atomkärnan. Storleken är 1/1837 del av protonens storlek. Elektromagnetisk strålning - Strålning som består elektriska och magnetiska vågor som rör sig med ljusets hastighet. Exempel: ljus, radiovågor, gammastrålning, röntgenstrålning. Elementarpartiklar - Grundpartiklar som utgör atomen. Neutron - Neutralt laddad elementarpartikel i atomkärnan. Fission - när man delar på en atomkärna till två mindre ungefärligt lika stora delar. Foton - En mätbar enhet av elektromagnetisk energi. Fotoner har rörelse men de har varken massa eller laddning. Fusion - när man slår ihop två lättare atomkärnor till en tyngre. Grupp (lodrätt): Har samma antal elektroner i yttersta skalet (samma antal valenselektroner). Halveringstid - Den tid det tar för hälften av ett ämnes atomkärnor att sönderfalla. Isotop - en atomkärna hos ett grundämne med ett bestämt atomnummer kan ha olika antal neutroner inne i kärnan alltså olika isotoper. Jon - En elektriskt laddad atompartikel Joniserande strålning - Strålning som kan producera joner. 2
Kedjereaktion - När en neutron krockar med en atomkärna och frigör fler neutroner som krockar med andra kärnor o.s.v. Kol-14 datering - metod för att mäta ålder på en organism. Masstal Antal protoner + neutroner i atomkärnan Period (vågrätt): Alla grundämnen i en period använder lika många elektronskal (energinivåer). Radioaktivitet- Atomkärnor som sönderfaller, enhet becquerel (Bq) (sönderfall per sekund) Stråldos - Mängd energi en kropp tagit upp när den utsatts för joniserad strålning, enhet är millisievert Ädelgasstruktur: Atomer med helt fulla elektronskal. 3
Atommodellen (repetition från materiakursen) Atomen består av tre partiklar Protoner, elektroner och neutroner. I kärnan finns den positivt (+) laddade protonen (p) och den neutrala Neutronen (n), de väger ungefär lika mycket. Dessa kallas tillsammans kärnpartiklar, eller nukleoner. Runt kärnan i skal finns den negativt (-) laddade elektronen (e), den väger nästan ingenting om man jämför med neutronen och protonen. Protonen är nästan 1800 gånger så tung som elektronen. Om vi tittar på atomen så är kärnans storlek en tiotusendel av hela atomen men den innehåller 99,9% av elektronskal atomens massa. Nuklider är ett gemensamt namn för alla atomkärnor. Massan av en atom mäts i enheten 1 u som är 1,66 10-27 kg. Enheten 1 u kallas den universella atommassenheten. Enheten har valts så att protoner och neutroner vardera väger ca 1 u, elektronen väger ca 1/1800 u. Atommassenheten 1 u är enligt definition 1/12 av massan av en atom 12 C. Det betyder att en atom 12 C väger exakt 12 u. (1,993 10-23 g) Väte, 1 H består av en proton och en elektron och saknar alltså neutroner. Helium, 2 He består av två protoner, två neutroner och två elektroner. K-skalet är fullt. Den kraft som håller samman atomkärnan kallas för den starka kärnkraften och är en av de tre fundamentala krafterna i naturen (de andra är gravitation och elektrosvag kraft). (Elektromagnetisk och svag kärnkraft kan förenas i en gemensam kraft som kallas elektrosvag kraft) Hur många protoner, neutroner och elektroner en atom innehåller, beror på vilket ämne det är. I varje atom finns det lika många elektroner som protoner. Det betyder att det finns lika många negativa som positiva laddningar. Det är därför man säger att atomen är neutral/oladdad. Elektronerna kretsar kring kärnan i olika skal (banor/energinivåer) som benämns som K- (2st e), L-(8st), M- (18st), N-(32st)-skal osv. O, P och Q (max 7 sju skal). (2= antalet elektroner som får plats i skalet). När M-skalet ligger ytterst, kan det emellertid högts innehålla 8 elektroner. Valenselektron är de elektroner som finns i det yttersta elektronskalet. Det är i huvudsak valenselektronerna som avgör ett grundämnes kemiska egenskaper. Energiskalen runt atomkärnan är inte skal i egentlig mening, utan en modell för att lättare kunna förstå elektronernas energinivåer. Bättre är att betrakta dem som elektronmoln. 4
Partikelaccelerator Man låter accelerera en elektron till mycket höga hastigheter och låter den krocka med en proton. När de krockar kan man se en glimt av materiens innersta. Dessa experiment som man började med på 1950-talet har kunnat visa att protoner och neutroner är uppbyggda av s k kvarkar, tre i vardera protonen och neutronen. Den största och starkaste partikelaccelerator i världen ligger i en underjordisk cirkelformad tunnel på gränsen mellan Schweiz och Frankrike och heter LHC. Sverige (Lund) är på gång att bygga en egen anläggning, ESS. Jon: Om en eller flera elektroner försvinner kommer atomen att blir positiv laddad. Om det tillkommer elektroner i en atom kommer den att bli negativt laddad. Olikladdade joner attraherar varandra och kommer att bindas samman med vad som kallas för jonbindning. Ex I reaktionen mellan Natrium och klor bildas det NaCl, koksalt (jonförening). Natrium lämnar sin enda valenselektron till kloratomen. Båda får då ett fullt yttersta elektronskal. Jonerna heter Na + samt Cl -. Andra ex på joner är Mg 2+ (Magnesium), Fe 3+ (järn), SO 4 2- (sulfat) Ex på olika joner: http://www.chemistrynarratives.com/files/joner.pdf Isotop Ett grundämne kan ha flera isotoper som skiljer sig från varandra genom att de innehåller olika många neutroner i kärnan. Väte med endast en proton kallas Protium (vanligt/första vätet) och betecknas som 1 1 H. Andra varianter är en väteatom med en proton och en neutron, Deuterium= tungt väte och en väteatom med en proton och två neutroner en annan sorts isotop av väte (Tritium=tretungt/extratungt väte). Periodiska systemet är en tabell som bygger på hur många protoner varje grundämne innehåller d.v.s. antalet protoner är lika med atomnumret för ämnet. Tabellen börjar med det minsta grundämnet, väte med bara en proton i kärna och därför atomnummer ett, nästa grundämne med två protoner (d.v.s. atomnummer två) är Helium. O.s.v. till grundämne 118 som idag är det största. Alla ämnen tyngre än Uran (atomnummer 92) är tillverkade av människan. I Tabellen finns 270 stabila isotoper och fler än 2000 ostabila isotoper. När kemister beskriver ett ämne så skriver de med följande modell där X = grundämnets kemiska tecken (symbol) A = masstalet (d.v.s. hur mycket massa atomen/grundämnet innehåller) och Z = grundämnets atomnummer (antalet protoner) A X (används inte i modellen att antalet Z neutroner betecknas N.) Exempel: (eller Helium-4) är Helium med atomnummer 2 och masstalet 4u, för att ta reda på hur många neutroner det finns så är subtraherar man masstalet med atomnumret d.v.s. A Z = 4 2 = 2st neutroner. Helium består av två protoner, två elektroner och två neutroner. (helium-4 ( 4 He)) Helium kan även innehålla en neutron och kallas då helium-3 ( 3 He) Mer än 99% av alla atomer i universum är antingen väte- eller heliumatomer. I människokroppen är över 98% av atomerna väte-, syre- eller kolatomer. Period (vågrätt): Alla grundämnen i en period använder lika många elektronskal (energinivåer). Grupp (lodrätt): Alla grundämnen i grupperna 1,2 och 13-18 har samma antal elektroner i yttersta skalet (samma antal valenselektroner). Eftersom det i huvudsak är antalet valenselektroner som avgör ett grundämnes egenskaper så kommer de grundämnen som tillhör samma grupp att likna varandra rent kemiskt. De kommer t.ex. att reagera med andra ämnen på ett för gruppen karakteristiskt sätt. 5
Oktettregeln: Alla atomer utom väte och helium försöker få åtta elektroner i sitt yttersta skal. (Octo= åtta på latin). De ämnen som har många valenselektroner uppnår ädelgasstruktur genom att ta upp så många elektroner att det yttersta skalet blir fullt. (De med få avger sina elektroner) Vid oxidationer avges elektroner - Vid reduktion tas elektroner upp. En reaktion sker mellan ett s k redoxpar, och den kemiska reaktionen kallas en redoxreaktion. En redoxreaktion är en reaktion i vilken ett ämne oxideras och ett annat ämne reduceras. Ett exempel är Zink som oxideras av kopparen som är oxidationsmedel, koppar reduceras av zink som är reduktionsmedel. Den elektrokemiska spänningsserien ordnar metallerna efter avtagande reduktionsförmåga, den med störst reduktionsförmåga kommer först K Na Mg Al Zn Fe Pb H Cu Ag Au Pt De metaller som står till vänster om väte H är vätgasutdrivande vilket betyder att de löses upp i syror (syror är ämnen som avger H + ) Metaller och icke-metaller De flesta metallerna har ett litet antal elektroner i sitt yttersta skal. En del grundämnen brukar kallas halvmetaller. De har en sådan uppbyggnad att de ibland uppför sig som metaller och ibland som icke-metaller. Grundämnesfamiljerna (gemensamma egenskaper i gruppen) Grupp 1 Väte och alkalimetallerna (Litium, Natrium, Kalium) (en valenselektron). Reagerar mycket lätt med andra ämnen som t.ex. vatten, syre och klor. Finns ej i ren form i naturen. (väte finns i små mängder i form av vätgas, H 2 ). De förekommer bara i olika kemiska föreningar. De ingår i många salter. Är mjuka i ren form så de kan skäras med kniv. Bildar gärna positiva joner (envärda positiva). Natrium ingår i olika typer av belysning. (vägar) Grupp 2 De alkaliska jordartsmetallerna (två valenselektroner). Alla är metaller och reagerar lätt med andra ämnen (speciellt med syror) och finns därför inte som grundämnen i naturen. Avger två elektroner för ädelgasstruktur. det bildas joner med laddningen 2+, t.ex. Magnesium som blir Mg 2+. (tvåvärda positiva) Grupp 16: Måste ta upp två elektroner för ädelgasstruktur -> joner med laddningen 2-, t.ex. en oxidjon, O 2 - Grupp 17 Halogenerna (halogen=saltbildare) ( sju valenselektroner).vanligaste är Fluor, Klor, Brom och Jod. Ickemetaller, reagerar lätt med andra ämnen, förekommer oftast i salter. Alla fria halogener har en stickande lukt och angriper i gasform slemhinnor mycket starkt. Det bildas joner med laddningen 1- (de tar upp en elektron för att få 8st i sitt yttersta skal) (envärda negativa joner). Klor är ett starkt blekande och bakteriedödande ämne. ( rena simbassänger ) Fluorföreningar ingår i många tandkrämer. (stärker emaljen). Grupp 18 Ädelgaserna (inga valenselektroner = fullt i yttersta skalet vilket kallas för ädelgasstruktur). Stabil struktur, reagerar ogärna med andra ämne. Alla är gaser som Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon och Radon. I lampor finns det Argongas. (om det hade varit luft hade tråden brunnit upp). Ädelgaserna används också i ljusrör för reklamskyltar. (neon=rött) 6
Ex på grundämnen (med vilket nr i periodiska systemet) Grundämne: Kemiskt tecken Var finns det? 1. Väte H I Luften och universum. 2. Helium He Ädelgas som finns i ballonger och universum 3. Litium Li Läkemedel, batterier 4. Beryllium Be Metallegeringar, kärnkraftverk, smycken 5. Bor B Legeringar, fyrverkerier, rengöringsändamål 6. Kol C I alla levande organismer, pennor, diamanter m.m 7. Kväve N Konstgödning, avgaser, utandningsluften 8. Syre O Luften 9. Fluor F Fluorsköljning och tandkräm 10. Neon Ne Ädelgas som finns i ljusskyltar 11. Natrium Na Bordssalt, gödningsmedel 12. Magnesium Mg Bilar, datorer, fyrverkerier, legeringar 13. Aluminium Al Bilar, förpackningar 17. Klor Cl Bassänger, pappersblekning 22. Titan Ti Klockor, proteser, smycken, krämer, transport 26. Järn Fe I människors blod som hemoglobin, legeringar 29. Koppar Cu Elledningar i våra hus och kyrktak. 47. Silver Ag Elektronik, fotoframkallning & smycken 78. Platina Pt Katalysatorer & smycken 79. Guld Au Elektronik & smycken 7
Fördelning av elektroner i de olika skalen Ämne (elektronantal) skal Väte (1) K:1 Helium (2) K: 2 (fullt) Litium: (3) K:2 L:1 Beryllium (4) K:2 L:2 Bor (5) K:2 L: 3 Kväve (7) K:2 L:5 Syre (8) K:2 L: 6 Neon (10) K: 2 L: 8 Natrium (11) K: 2 L: 8 M: 1 Svavel (16) K :2 L: 8 M: 6 Kemiska bindningar En molekylbindning ( elektronparbindning /kovalent bindning) är en bindning mellan två eller flera atomer där attraktionen beror på att atomerna har för få elektroner i sitt ytterskal. (väte) Atomerna går därför samman med en annan atom så att de kan dela på elektronerna (elektronpar) och alla atomer får så många elektroner de vill ha. I dubbel- och trippelbindningar delar atomerna på två eller tre elektronpar. Ex på ämne med molekylbindning är vatten (två väteatomer och en syreatom, H 2 O). En vattenmolekyl bildas, då en syreatom (som har 6 elektroner) binds samman med två väteatomer. Detta sker genom två elektronparbindningar. Atomerna i vattenmolekylen ligger inte i en rät linje, utan de bildar en viss vinkel med varandra. Ett annat exempel är Väteklorid, HCl. Väteatomen har en elektron, medan kloratomen har sju elektroner i sitt yttersta skal, men båda atomerna strävar efter ädelgasstruktur. Detta uppnås genom att en väteatom och en kloratomatom har ett elektronpar gemensamt. Väteatomen får då tillgång till 2 elektroner och kloratomen till 8 elektroner i sina yttersta skal. Båda atomerna uppnår därigenom ädelgasstruktur. Väteatomen och kloratomen binds samman till en vätekloridmolekyl. Jonbildning bildas mellan två joner som har olika laddning (en jon är antingen plus- eller minusladdad). Om en jon är plusladdad och en annan minusladdad så dras de till varandra på grund av elektrostatisk attraktion. Metaller och väte bildar positiva joner (har få valenselektroner). Icke-metaller har många valenselektroner och är därför bildas det lättare negativa joner. I koksalt finns det inte några molekyler utan miljontals joner som sitter ihop som en kristall. (Na + och Cl - ). Kemiska föreningar som är uppbyggda av joner kallas jonföreningar. Jonlösningar Alla salter byggs upp av joner. När ett salt löses i vatten, påverkar vattenmolekylerna saltets joner så att de dras ut i vatten. Exempelvis består koksaltlösning av natriumjoner, kloridjoner och vattenmolekyler. Även syror och basiska ämnen delas upp i joner, när de löses i vatten. Alla sura lösningar innehåller vätejoner, H +. Alla basiska innehåller hydroxidjoner, OH -. Metallbindning Atomerna hålls inte ihop av jonbindningar eller av molekylbindningar utan alla metallatomer delar elektroner med varandra. (elektronhav) Formelmassa hos molekyler (alla atomer och joner). Ex för metan, CH 4 : 1 12 u (kolatom)+ 4 1 u (fyra väteatomer) = 16 u. De tre (utav fem) isotoperna av väte väger 1,2 och 3u. Det finns ett namn för det antalet atomer som väger lika många gram som atommassans u. Detta kallas för en mol. (6,022 10 23 st = Avogadros konstan). Man kan använda mol för hela molekyler. Ex klor väger 35,5g/mol. Men i en klormolekyl ingår två kloratomer (Cl 2 ) och då väger en mol 71 g (2 35,5g). 8