KEMA02 Oorganisk kemi – grundkurs
F6
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Deskriptiv kemi – Huvudgrupperna Atkins & Jones kap 15
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Översikt kapitel 15
• Trender i periodiska systemet
• Väte
• Grupp 1: Alkalimetaller
• Grupp 2: Alkaliska jordartsmetaller
• Grupp 13/III: Borgruppen
• Grupp 14/IV: Kolgruppen
• Grupp 15/V: Kvävegruppen – pniktogener
• Grupp 16/VI: Syregruppen – kalkogener (malmbildare)
• Grupp 17/VII: Halogenerna (saltbildare)
• Grupp 18/VIII: Ädelgaser
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Varför deskriptiv kemi?
• Kemisk allmänbildning och allmänkunskap
• Trender gör att man kan förutsäga egenskaper
• Användningsområden. Vad finns? Vad finns inte?
• Biologiska, icke-biologiska och artificiella system
• Kemins inflytande på samhälle och biologi
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Periodiska systemet
Periodiska systemet
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Periodiska systemet
Grundämnenas förekomst
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Trender Trender i huvudgrupperna • De flesta kemiska egenskaper och trender kan förklaras utifrån förhållandet
mellan kärnladdningen och antalet valenselektroner samt avståndet mellan kärnan och valenselektronerna.
• Effektiv kärnladdning och skärmning
• Högre elektronskal ligger längre från kärnan
• För huvudgrupperna, som har sina valenselektroner i s- ochh p-orbitaler vilka ligger relativt nära kärnan, är skärmningen inte så effektiv
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Trender – Atomradie Atomradien minskar
Ato
mra
dien
öka
r
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Trender – Jonradier OBS! Skilj på anjoner och katjoner!
Jonradien minskar Jonradien minskar
Jonr
adie
n ök
ar
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Trender – Joniseringsenergi Joniseringsenergi – Den energi som krävs för att avlägsna en elektron Jämför t ex alkalimetaller och halogener F(g) → F+(g) + e–
Joniseringsenergin ökar
Joni
serin
gsen
ergi
n m
insk
ar
Tabell över 1:a joniseringsenergin (kJ•mol–1)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Trender – Polariserbarhet Poliserbarhet – Hur lätt elektronmolnet runt en atom kan formas/förskjutas av ett närliggande elektriskt fält
Polariserbarhet
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Trender – Elektronaffinitet Elektronaffinitet – Den energi som frigörs när en elektron tillförs en atom i grundtillståndet.
F(g) + e– → F–(g)
• Är högst till höger i periodiska systemet
• Inte lika tydlig trend i grupperna
Elektronaffinitet
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Trender – Elektronegativitet Elektronegativitet – Mått på hur en atom i en förening drar till sig elektrontäthet. Ämnena längst till vänster i P.S. kallas ibland för elektropositiva.
Elektronegativiteten ökar E
lekt
rone
gativ
itete
n m
insk
ar
Elektronegativitet, värden enligt Paulings skala
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Ba(OH)2(aq)
Ni-elektrod
Framställning • Ångreformering (vattenånga reduceras med kol eller naturgas).
C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g)
CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3 H2(g)
I gasfas sker även vattengasjämvikten som kan nyttjas för att få mer H2.
CO(s) + H2O(g) CO2(g) + H2(g)
• Elektrolys av vatten: 2 H2O + 2 e– H2(g) + 2 OH–(aq)
• I laboratoriet: 2 HCl(aq) + Zn(s) H2(g) + ZnCl2(aq)
• I framtiden? 2 H2O 2 H2(g) + O2(g)
Fe/Cu
ca 1000°C katalysator
Väte (1s1)
Ni
Vattengas: blandning av f a H2 och CO. Kan modifieras till syntesgas
NaOH(aq)
Na2CO3(aq) + H2O
Ljusenergi
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Föreningar av väte och dess egenskape r • H2 – mycket användbart för reduktioner t ex hydrogenering (N2, omättade
kolväten m m)
• H+ (proton, vätejon), skrivs ofta H3O+ i vattenlösning
• H– (hydridjon) bildar t ex hydrider med metaller
• Kovalenta hydrider, t ex BH3, AlH3
Viktigt! Föreningar med H bundet till N, O och F bildar vätebindningar till elektronpar på andra N, O och F.
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Alkalimetaller (ns1)
Li, Na, K, Rb, Cs, Fr • Egenskaper
o Starkt reducerande
Li+(aq) + e– ⟶ Li(s) e° = – 3,0 V
2 Li(s) + 2 H2O ⟶ 2 Li+(aq) + H2(g) + 2 OH–(aq)
o Mjuka, låg densitet, låg smältpunkt o Har basiska oxider och hydroxider (NaOH, Li2O)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Alkalimetaller (ns1) • Framställning
o Natriummetall – Downsprocessen sker elektrolytiskt
Summaformel: Na+ + Cl– ⟶ Na(l) + ½ Cl2(g)
CaCl2 tillsätts för att sänka smältpunkten för NaCl. Varför bildas inte metalliskt kalcium?
o Kalium löser sig för mycket i CaCl2(l). Man får använda annan metod (Thermal method).
KCl(l) + Na(g) ⟶ K(g) + NaCl(s)
o NaOH framställs genom elektrolys av vattenlösning av NaCl – Kloralkaliprocessen
2 NaCl(aq) + 2 H2O(l) Cl2(g) + 2 NaOH(aq) + H2(g)
• Användning o Li-batterier o Katjonsalten mycket vanliga (NaCl, KBr, NaHCO3) o Na+ och K+ biologiskt mycket viktiga
Elektrolys
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Alkaliska jordartsmetaller (ns2) Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra • Egenskaper
o Metalliska (beryllium har dock vissa ickemetalliska egenskaper) o Starkt reducerande
Mg2+(aq) + 2 e– ⟶ Mg(s) e° = – 2,4 V
o Högre smält- och kokpunkter än alkalimetallerna o Har basiska oxider och hydroxider (MgO, CaO, Ca(OH)2)
• Framställning av metallerna o Elektrolys eller kemisk reduktion av klorider eller oxider
• Användning o Magnesium lättaste metallen för konstruktioner o Mg2+ och Ca2+ biologiskt viktiga
! Mg2+ klorofyll, DNA och RNA klyvning och bildning
! Ca2+ benvävnad och tandemalj (hydroxiapatit Ca5(PO4)3(OH))
o Beryllium – röntgenrör, legeras med Cu för ökad styrka
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Borgruppen (ns2p1) B, Al, Ga, In, Tl • Egenskaper
o Bor – halvmetall, halvledare o Al, Ga, In, Tl – metalliska (de metalliska egenskaperna ökar neråt i gruppen) o Al är den mest förekommande metallen i jordskorpan
• Viktiga föreningar o Borax, Na2B4O7•10 H2O, används i värmetåligt glas o Borsyra, B(OH)3 är en svag syra
B(OH)3 + H2O B(OH)3(OH2)
B(OH)3(OH2) + H2O B(OH)4– + H3O+
• BX3 och AlX2 (X = F, Cl, Br, -CH3) är Lewissyror BH3 kan ej isoleras, förekommer endast som dimer B2H6. AlH3 instabil
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Framställning av aluminium • Hallprocessen
Elektrolys av aluminiumoxid, Al2O3, i smälta med grafitelektrod. Kryolit (Na3AlF6) tillsätts för att sänka smältpunkten.
1 ton Al kräver 15 000 kWh. 17 miljoner ton produceras per år
• Ren Al2O3 framställs genom Bayerprocessen Al2O3•x H2O 2 Al(OH)3(s) Al2O3(s) + 3 H2O(g)
Al3+ + 3 e– ⟶ Al(l) x 4
2 O2– + C(s, gr) ⟶ CO2(g) + 4 e– x 3
2 Al2O3(l) + 3 C(s, gr) ⟶ 4 Al(l) + 3 CO2(g)
1. NaOH(aq)
2. CO2(g)
1200°C
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Kolgruppen (ns2p2) C, Si, Ge, Sn, Pb • Egenskaper
o C – icke-metall, max fyra bindningar o Si, Ge – halvmetaller, halvledare, 4–6 bindningar o Sn, Pb – metaller
• Skillnaden mellan C och Si o Inerta C–C bundna kolkedjor och dubbelbindningar o Max bindningstal: C 4, Si 6
Skillnaderna bero till stor del på skillnad i storlek, elektronegativitet samt tillgång på d-orbitaler (Si)
• Oxider av C och Si är sura (CO2, t ex H2SiO4 ortokiselsyra)
4 H3O+(aq) + SiO44– + x H2O SiO2(s)•xH2O(gel) + 6 H2O(l)
ortosilikatjon kiselgel (silica gel)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Kolgruppen (ns2p2) • Kolmonoxid CO
o Formell anhydrid till myrsyra (HCOOH) o Nästan helt olöslig i vatten o Färglös, luktlös, brandfarlig och mycket toxisk o Kan fungera både som Lewissyra och –bas o Bildar komplex med metalljoner (binder t ex hårdare än O2 till Fe i hemoglobin, därav
giftverkan).
• Silikater o SiO2 förekommer naturligt i sand och kvarts o SiO2 har nätverksstruktur, rymdnät av SiO4-tetraedrar med gemensamma hörn o Vissa ädelstenar och halvädelstenar är kiseldioxid med föroreningar som ger färg o Ortosilikater – avgränsade flerkärniga
silikater, t ex zirkon ZrSiO4
(cubic zirkon, fuskdiamanter, är ZrO2)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Kolgruppen (ns2p2) • Renframställning av kisel
Framställs från kvartsit (granulär form av kvarts) genom reduktion högrent kol.
SiO2(s) + 2 C(s) Si(s) + 2 CO(g)
Därefter behandling med klorgas
Si(s) + 2 Cl2(g) SiCl4(l)
Kiseltetrakloriden destilleras och reduceras med vätgas
SiCl4(l) + H2(g) Si(s) + 4 HCl(g)
Si renas därefter genom omkristallisering och zonsmältning • Användningsområden för kisel
Kisel används ofta i halvledare som finns i bland annat kretskort, dioder och hårddiskar
Δ
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Kolgruppen (ns2p2) • Viktiga former av kol, C
o Grafit (sp2) o Diamant (sp3) o Aktivt kol – granulat av mikrokristallint kol. Har mycket stor specifik yta, föroreningar i
vätskor och gaser kan tas bort genom adsorption. o Fullerener – kristallina ihåliga former, klot (t ex C60 Buckminsterfulleren) eller rör
(nanotuber) o Stenkol (coal) – fossilt kol med låg vätehalt (75–90% C) o Koks (coke) – stenkol upphettad utan luft (O2), högre kolhalt, färre flyktiga ämnen o Träkol (charcoal) – trä eller organiskt material upphettat utan luft
Diamant Grafit
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Kolets kretslopp o bild
Karbonat- mineral t ex CaCO3
CO2 atmosfär 0,03 vol% vatten 350 ppm
Växter
Djur
Dött organiskt material
Fotosyntes
Andning
Andning
Bakteriell nebrytning
Förbränning
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Kolets kretslopp och växthuseffekten o bild
Dött organiskt material
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Kvävegruppen – pniktogenerna (ns2p3) N, P, As, Sb, Bi • Egenskaper
o N, P – ickemetaller o As, Sb – halvmetaller, halvledare o Bi – metall
• N2 är en mycket stabil förening Atmosfären innehåller 76 vol% N2
• Viktiga allotroper av P o Vit fosfor (P4), mycket reaktiv och giftig
Kemoluminiscens i fuktig luft o Röd fosfor, lite mindre reaktiv
http://www.periodicvideos.com/
Bindningsentalpi för diaatomära föreningar kJ/mol
Värme utan luft (O2)
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Kvävefixering • Ammoniakframställning via Haber-Boschmetoden
N2(g) + 3 H2(g) 2 NH3(g)
o Kräver hög temperatur (400°C) och därmed högt tryck (200 atm) o H2 från ångreformering (�CO2-utsläpp) eller elektrolys (dyrt)
• Ammoniak används främst för framställning av gödningsmedel och sprängämnen och är den mest producerade kemikalien i mol räknat
• Biologisk kvävefixering
Görs av bakterier vid låga temperaturer och lågt tryck (1 atm) med hjälp av nitrogenaser som har FeMo kofaktor
N2 + 8 H+ + 8 e– + 16 ATP ⟶
2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 PO43–
Fe kat.
400°C, 200 atm
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Kvävets kretslopp o bild
NOx, NH3
N2 atmosfär 76 vol%
Växter
Djur
Dött organiskt material
Fotokemisk kvävefixering
Urinämne och -syra
Bakteriell nebrytning
Denitrifikation
Biologisk kvävefixering Haber-Bosch
Oorganiskt material t ex NaNO3
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Viktiga kväveföreningar • Kvävoxider och syror
o HNO3 salpetersyra, framställs genom Ostwaldprocessen (se Atkins för alla steg)
Summaformel: 2 NH3(g) + 2 O2(g) HNO3(l) + H2O(l)
o HNO2 salpetersyrlighet o NO2 kvävedioxid, radikal o NO kvävemonoxid, radikal, neurotransmittor o N2O dikväveoxid, lustgas o NaNO2 natriumnitrit, används för konservering av kött
Pt kat.
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Viktiga fosforföreningar • Fosforsyra och anhydrider
o H3PO4 fosforsyra (ortofosforsyra) o H4P2O7 difosforsyra (pyrofosforsyra)
• Adenosintrifosfat, ATP Hydrolys av anhydridbiningningar ger energi!
• Ca5(PO4)3(OH) hydroxiapatit, viktigt mineral, finns även i ben och tandemalj
Difosforsyra anhydrid av fosforsyra
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Syregruppen – kalkogenerna (ns2p4) O, S, Se, Te, Po • Egenskaper
o O, S, Se – ickemetaller o Te, Po – halvmetaller, halvledare o Po är radioaktiv
• Viktiga skillander mellan syre och svavel o O2 (21 volym% i atmosfären), O3 ozon o S8 (ring), svavel kan bilda långa kedjor (katenering) och ringar (S6–20) o O2 är paramagnetisk, S8 är diamagnetisk
• Framställning o O2 framställs genom destillering av kondenserad luft o Svavel bryts med hjälp av Frasch-processen eller produceras genom oxidation av
H2S i naturgas
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Svavelsyra • H2SO4 – världens ”viktigaste” kemikalie. Framställs i större mängd (massa) än
någon annan oorganisk kemikalie.
• Framställs genom kontaktmetoden
• Används vid framställning av gödningsmedel, rengöringsmedel, petroleumprodukter etc, etc
• Utsläpp av SO2 är ett stort miljöproblem. Varför?
• SIV extra viktigt!
Görs i 98% H2SO4
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Halogenerna (ns2p5) F, Cl, Br, I, At • Egenskaper
o Alla halogener är ickemetaller (At är radioaktivt) o F är det mest elektronegativa elementet o F2 är det mest oxiderande och reaktiva ämnet
• Framställning o F2 framställs genom elektrolys av KF (kaliumflourid) i HF (fluorvätesyra) o Cl2 framställs genom elektrolys av NaCl o Br2 och I2 framställs genom kemisk oxidation av salter med Cl2 som oxidationsmedel
• Användning o F2 används till framställning av teflon och fluorerade kolväten o Cl2 används för kemikalieproduktion (organisk och oorganisk), blekning m m o Br2 används för organisk syntes och i flamskyddsmedel o I2, i form av I3–, används som redoxpar i TiO2-solceller o NaClO, natriumhypoklorit, används i desinfektions- och blekmedel o NaI används i bordssalt med jod
• HF fluorvätesyra, mycket farlig (trots pKa ca 3). Löser upp glas!
Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institution / CAS / KEMA02 VT13 / CP
Ädelgaserna (ns2p6) He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn • Rn är radioaktivt • Mycket oreaktiva (inerta) mononatomära gaser • Alla utom He och Rn utvinns genom destillation av kondenserad luft • He utvinns ur naturgas som kan innehålla upp till 7% He • Rn bildas ur radioaktivt sönderfall av Ra • 4He2+ kallas för α-partikel och bildas vid radioaktivt sönderfall • Flytande helium används som kylmedium (< 4 K) för magnetröntgen, NMR m m • Ne används i neonskyltar. Ger röd-orange ljus, men inblandning av andra ädelgaser
(krypton, argon) ger andra färger • Xe är den enda ädelgasen som bildar någorlunda stabila kemiska föreningar, t ex XeF4,
XeO3
Ädelgaskonstverk av Tom Anthony