Kemi net21-uppgift

Naturvetenskap och teknik (NAT)Kap 1 o 2

2009-08-17 Naturvetenskap, teknik och matematik

Ismail IbrahemDocent Organisk kemi

”Kemi – en del av naturvetenskapen”

Kemi och Kunskapen om Materia

Denna powerpoint använder jag när jag går igenom teorin som förklara kemi och atommodeller

i kap 1 och 2 i boken Kemi Syntes 1

Naturvetenskap, teknik och matematik

Vad är kemi?


Livet är kemiDu hittar kemi i det dagliga livet i den mat du äter, luften du andas, din tvål, dina känslor och bokstavligen varje objekt som du kan se eller röra.

Din kropp består av kemiska föreningar, vilka är kombinationer av element.

1-Oxygen O2 (65%), 2-Carbon C (18%), 3-Hydrogen H (10%),

4-Nitrogen N2 (3%).5-Calcium Ca(1.5%), 6-Phosphorus P (1.0%),

7-Potassium (0.35%), 8-Sulfur (0.25%), 9-Sodium (0.15%), 10-Magnesium (0.05%).11-Copper, Zinc, Selenium, Molybdenum, Fluorine, Chlorine, Iodine, Manganese, Cobalt, Iron (0.70%).12-Lithium, Strontium, Aluminum, Silicon, Lead, Vanadium, Arsenic, Bromine (trace amounts).


Vad tänker du på när du hör ordet kemi?

→ Forskning inom kemi kan hjälpa oss att upptäcka nya:

MaterialMediciner

Sätt att ta vara på förnyelsebar energiSätt att stoppa olika hot mot vår miljö


Kan hjälpa till att förklara saker & ting

Hur fungerar en mikro?Varför använder vi jäst/bakpulver när vi bakar?

Varför rostar bilen?Hur fungerar ett batteri?

Vad händer i kroppen när vi tränar?

Naturvetenskap


Samhällsvetenskap, humaniora o.s.vNaturvetenskapen studerar naturen, människans

fysiska miljö och även människan själv som biologisk varelse bland alla andra.

Kemi är en gren av naturvetenskapen. Den ska öka kunskapen om enskilda ämnen & om deras

uppbyggnad, egenskaper & deras kemiska reaktioner. Kemi är Objektiv kunskap som

beskriver hur någonting verkligen är.

Hypotes


Är ett antagande, ett förslag till förklaring till hur något verkligen är.

Hypotesen är formulerad på ett sådant sätt att det är möjligt att motbevisa den, om den inte är

sann.

Hypotesprövning


Om underökningarna ger resultat som inte stämmer med hypotesen måste den förkastas eller

justeras , för att testas på nytt. För varje gång en hypotes klarar en prövning

förstärks den.När tillräckligt många experiment bekräftar

hypotesen ”upphöjs” den till en teori. Teori: Den gäller oavsett vem som prövar den & det

finns inga exempel på motbevis.


Experiment Empedokles.

Så vitt man vet, de första dokumenterade vetenskapliga experimentet. Ca. 2500 år sedan

”Är luft någonting eller ingenting?”Är det en kemisk experiment??? Ja eller Nej


-Huvudrubrik, datum och namn.

-Målsättning (frågeställning): man beskriver vad som ska undersökas.

-Hypotes: här anger och motiverar du ditt förväntade resultat.

-Utförande: här beskriver du vilken material som används och hurExperimentet utförs. Den som läser din utförandebeskrivning ska kunna upprepa experimentet på samma sätt som du utförde det.

-Resultat: här sammanfattar du försöksresultatet.

-Kommentarer: här kommenterar du försöksresultatet som relateras tillDen egna hypotesen samt till litteraturuppgifter. Diskutera vilka felkällorExperimentet innehöll och hur experimentet skulle kunna förbättras.

Redovisning av experiment


Risker vid laboratoriearbeteFarosymboler

Man behöver vara medveten om de särskilda risker som finns när man skall utföra experiment.


Explosivt Produkten är explosiv och kan explodera om den utsätts för slag, friktion, gnistor eller värme.Måste hanteras varsamt.


BrandfarligProdukten är brandfarlig och kan brinna våldsamt vid antändning eller värmetillförsel.Vissa produkter utvecklar brandfarlig gas i kontakt med vatten eller självantänder i luft.


OxiderandeProdukten orsakar reaktion, brand eller explosion i kontakt med brännbara ämnen eller material


FrätandeProdukten ger frätskador på hud, matstrupe och ögon, eller andra allvarliga ögonskador.Produkten är korrosiv för metaller.


GiftigProdukten ger livshotande skador vid inandning, hudkontakt eller förtäring.


SkadligProdukten är skadlig vid inandning, hudkontakt eller förtäring. Används också för produkter som ger allergi vid hudkontakt, som irriterar hud, ögon eller luftvägar eller ger narkosverkan.


HälsofarligProdukten kan ge ärftlig genetisk skada, cancer, fosterskador eller störa fortplantningen. Används också för produkter som ger allergi vid inandning, kemisk lunginflammation vid förtäring eller andra allvarliga skador vid enstaka eller upprepad exponering.


MiljöfarligProdukten är giftig för vattenmiljön på kort eller lång sikt. Ska förvaras och användas så att produkten och avfallet inte skadar miljön.


GasbehållareProdukten är en trycksatt eller kraftigt nedkyld gas.Behållaren kan explodera vid yttre brand.




Grundläggande begrepp

Grundämne: består av ett enda slags atomerEx. Helium (He), Syre (O), Järn (Fe)

Kemiska föreningar: består av atomer från två eller flera olika grundämnen som är kemiskt

bundna till varandraEx. Vatten (H2O), Glukos (C6H7O(OH)5)


Grundläggande begreppMolekyl

består av minst två atomer som är kemiskt sammanbundna.

Jon, positivt eller negativt laddad atom eller

atomgrupp.Ex. Na+, Cl-, OH-

H2ONaCl (Na+ Cl-)

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Natriumkloridionegittermodell.png


Aggregation former


De tre aggregationstillstånden – H2O

Fas fas, s,

Flytande fas, l,

Gasfas, g,

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wasserstoffbr%C3%BCckenbindungen-Wasser.svg


De tre aggregationstillstånden


Aggregationstillstånd – vattnets fasdiagram

Förångning – från vätska till gasKondensation – från gas till vätskaSmältning – från fast fas till vätskaStelning – från vätska till fast fas

Sublimering – från fast fas till gasDeposition – från gas till fast fas

• Kokning – aktiv energitillförsel så att ett ämne når sin kokpunkt.

• Avdunstning – sker även långt under vätskans kokpunkt, det finns många enskilda molekyler som kan ha högre (eller lägre energi).

• Sublimering – ett ämnes direkta övergång från fast fas till gasfas.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/Fasdiagram.png

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/3c/Fasdiagram.png


Rena ämnen & blandningar


Rena ämnen & blandningar

Rent ämne: består av ett enda ämne, som kan vara ett grundämne eller en kemiskförening. Blandning: består av två eller flera ämnen.

Vatten/Glykol, blandningen generera inga nya ämnen, men däremot kan fryspunkten sänkas till -47

Celsius


Blandningar

Homogen blandning (grek. Homos = samma, genos = slag,art)

Ex. Socker/vatten

Heterogen blandning (grek. Hetros = annan)Ex. Granit


Fysikaliska egenskaper• Densitet, magnetism, kokpunkt, elasticitet, löslighet, smältpunkt, tryck, spänning, temperatur, m.m


Kemiska egenskaper

Fe + S + energi→ FeS

Något av ett materials egenskaper som blir uppenbart under en kemisk reaktion; det vill säga någon kvalitet som endast kan fastställas genom att ändra ett ämnes kemiska identitet

Kemi=läran om ämnens

egenskaper, struktur

och sammansättning

samt hur olika ämnen reagerar med varandra


Kemi=läran om ämnens

egenskaper, struktur

och sammansättning

samt hur olika ämnen reagerar med varandra

= läran om olika ämnensegens Strukturoch Sammansättningsamt hur olika ämnenreagerar med varandraAllt består av atomer- vilka atomer?

- vad skiljer olika atomer?- vilka egenskaper har olika

atomer?

- hur sitter de ihop?- hur påverkar detta

egenskaperna?

- hur påverkar atomerna hur ämnen

reagerar?

idag


ATOMENEn atom är ca 10-10 m (Å) eller 0,0000000001 m i diameter.

Om man la atomer på rad intill varandra skulle det få plats 100 miljoner atomer på en sträcka av 1 mm.

Genom att studera atomernas egenskaper och hur atomerna kombineras till ämnen lär vi oss om ämnenas egenskaper.

Kunskapen kan användas till att framställa nya ämnen med vissa bestämda egenskaper.

Vi känner idag till ett hundratal olika sorters atomer.Ungefär 90 av dessa förekommer i naturen, ytterligare ett 20-tal har framställts på konstgjord väg i olika laboratorier.

Länge trodde man att atomer var kompakta och odelbara.


ATOMEN


ALLT BESTÅR AV ATOMER

Protoner

neutroner

elektroner

Numera vet vi att en atom är uppbyggd av tre sorters elementärpartiklar. Protonerna och neutronerna befinner sig i en liten kärna i mitten, medan elektronerna finns kring kärnan.


ALLT BESTÅR AV ATOMER

Protonerna är positivt laddade, elektronerna är lika mycket men negativt laddade medan neutronerna saknar elektrisk laddning.

Totalt sett är atomerna alltid neutralt laddade.

Mellan partiklar med olika laddningar förekommer elektrostatisk kraft, den visar sig som en attraktion mellan partiklar med olika laddning och repulsion mellan partiklar med lika, motsatta laddningar.

Den elektrostatiska kraften är starkt bidragande till att atomerna ser ut som dom gör. Elektronerna rör sig med hög hastighet runt omkring atomkärnan. Den Elektrostatiska kraften gör att elektronerna hålls kvar i rymden runt kärnan.


Materiareagerar med varandraThales (ca 625-545 f.kr.): Vatten var ett urämne som kunde

Omvandlas till alla andra ämnen.Empedokles (ca 490-430 f.kr.): Han trodde att jord, vatten, luft och eld var grunden till all materia (de fyra elementen).De fyra elementen kombineras till olika ämnen.Aristoteles (384-322 f. Kr.) anslöt sig till Empedokles.

Demokritos (ca 460-370 f. Kr.): All materia kunde delas i allt mindre bitar, ända tills det återstod odelbara partiklar. Grekiska atomos = odelbar.

Demokritos460- 370 f Kr


LITE MER OM ATOMER - ATOMMODELLER

John Dalton1766-1844

Dalton utvecklade den moderna atomteorin.

• Materia kan delas upp i olika grundämnen• Grundämnen är atomer med olika massor• Material är kombinationer av grundämnen.• Alla atomer i ett ämne har samma egenskaper och väger lika mycket och kallas för grundämne.

I grunden expanderade Dalton bara den grekiska idén om atomen.

”atomen är något väldigt litet med olika massor och olika egenskaper”



J.J.J. Thomson

Thomson lyckades med sina experiment få fram ett massa/laddningsförhållande för elektronen.1897 upptäckte J. J. Thomson att elektronen var en subatomär partikel när han studerade katodstrålar.

…och att elektronen kom från atomen och hade negativ laddning och liten massa.

Thomson tog atomidén och gav ett förslag på en ny atommodell.

”som russinet i kakan, eller en blåbärsmuffins”


beta sönderfall (β-decay) är en typ av radioaktivt sönderfall, i vilken en proton omvandlas till en neutron, eller omvänt. Gammasönderfall vanligtvis följer alfa- eller betasönderfall. förändring i energinivån hos kärnan till ett lägre tillstånd, vilket resulterar i emission av elektromagnetisk strålning


E. Rutherford

Ernest Rutherford gjorde ett experiment där han skickade alfa-partiklar (2 protoner och 2 neutroner, kärnan av en Helium atom), alfastrålning avges i sambandMed radioaktivt sönderfall. på en tunn guld-folie och han tänkte sig att alfa-partiklarna skulle studsa lite åt olika håll.

”sedan tidigare visste man att elektronerna var små och negativt laddade då måste också kärnan vara liten och positivt laddad”


Alfastrålning eller α-strålning är en typ av joniserande strålning bestående av alfapartiklar, det vill säga, atomkärnor av helium (två protoner och två neutroner). Alfastrålning avges i samband med radioaktivt sönderfall av typ alfa-sönderfall.

Rutherford´s gold foil experiment


Top: Expected results: alpha particles passing through the plum pudding model of the atom undisturbed.

Bottom: Observed results: a small portion of the particles were deflected, indicating a small, concentrated positive charge. Note that the image is not to scale; in reality the nucleus is vastly smaller than the electron shell.

Rutherford´s model~1911



N. Bohr

I Bohrs modell så har elektronerna banor runt kärnan som planeter rör sig runt solen, elektronernaKunde befinna sig på vissa energinivåer.Elektronerna har olika energienivåer och finns i olika skal k, l, m, … orbitaler (rör sig runt kärnan).

K

NM

L

Helium – atomnummer 2

Järn – atomnummer 26

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atom.png

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Atom.png


Schrödinger och Heisenberg (osäkerhetsprincipen)


Vi kan inte säga något om elektronernas banor eller positioner, vi kan bara prata om sannolikheter.I denna rymd är det sannolikt att elektronenBefinner sig.

http://www.youtube.com/watch?v=K-jNgq16jEY

http://www.youtube.com/watch?v=K-jNgq16jEY


Rutherford, 1910-tal


K

NM

L

Niels Bohr 1913

Den moderna kemins födelse


På 1700-talet trodde kemister att brännbara ämnen innehöll något som kallades flogiston som gick bort vid förbränning. Fransmannen AntoineLavoisier löste förbränningens mysterium. Han värmde tenn Sn i ensluten behållare så att det bildades ”tennaska” (tennoxid SnO2). Det

Visade sig att ”askan” vägde mer än det ursprungliga tennet. Inget Material lämnade istället något togs upp från luften. Gasen döpte till Oxygene = syre.


Carl Wilhelm Scheele (1742-1786)En mycket skicklig kemist, utförde och Beskrev ca 20 000 experiment. Upptäckte”eldsluft” syre och ”skämd luft” kväve.Och upptäckte klor Cl och mangan Mn.Jöns Jacob Berzelius (1779-1848)Kemiska tecken, atomvikt, katalysator begrepp.

John Dalton (1766-1844), England. Beskrev atomerna, alla atomer i ett ämneHar samma egenskaper och väger likaMycket och kallas för grundämne. KemiskaFöreningar består av olika grundämnen. Började ordna och rita molekyler och atomer.


John Dalton, 1807

1) All materia består av atomer. Atomer är odelbara och oförstörbara.2) Samtliga atomer av ett givet element är identiska i massa och egenskaper.3) Föreningar som bildas genom en kombination av två eller flera olika typer av atomer.4) En kemisk reaktion är en ombildning av atomer.

Idag vet vi att atomer kan förstöras genom kärnreaktioner, men inte genom kemiska reaktioner. Det finns också olika typer av atomer (som skiljer sig från deras massa) i ett element som är kända som "isotoper", men isotoper av ett element har samma kemiska egenskaper.

Elektronen upptäcktes 1897

- ny atommodell

1897 upptäckte J. J. Thomson att elektronen var en subatomär partikel när han studerade katodstrålar.

All materia består av atomer. Atomen består av:

1-Kärnan-som består av: protoner och neutroner.

2-Elektroner-som kretsar kring kärnan i banor som kallas banor eller skal.

ProtonerNeutroner

= atomnummerantalet kan varieraex: 12C 13C 14C = isotoper av kol

Rutherford, 1910-tal

Niels Bohr 1913

K

NM

L


I kemi och atomfysik, ett elektronskal, även kallad en huvud energinivå kan ses som en bana följt av elektroner kring en atom kärna. Den närmaste skalet till kärnan kallas "ett skal" (även kallad "K shell"), följt av "två skal" (eller "L shell"), sedan "3 skal" (eller "M shell") , och så vidare längre och längre från kärnan. Skalen motsvarar de huvudsakliga kvantnummer (1, 2, 3, 4 ...) eller är märkta alfabetiskt med bokstäver som används i röntgennotation (K, L, M, ...).

Elektronskal (Electron shell)


Varje skal kan innehålla endast ett fast antal elektroner: Den 1= K: skalet rymmer upp till två elektroner, den 2=L: skalet kan innehålla upp till åtta (2 + 6) elektroner. Den 3: e skalet =M kan innehålla upp till 18 (2 + 6 + 10 ) och 4 =N skalet kan innehålla upp till 32 (2 + 6 + 10 + 14) och så vidare. Eftersom elektroner är elektriskt lockas till kärnan, kommer en atoms elektroner allmänhet upptar yttre skal endast om flera inre skalen har redan helt fylld av andra elektroner.

Elektronskal (Electron shell)

Nutid Elektronerna finns i orbitaler (=banor)

- områden med upp till 2 e- per orbital





Nutid Flera orbitaler bildar

tillsammans elektronskal= medelavstånd från kärnan

Nutid

längre från kärnan- större orbitaler- större medelavstånd

fr kärnan

Nutid tillsammans elektronskal

= medelavstånd från kärnan

Elektronskalen numreras

Ju längre medelavstånd

- desto fler orbitaler

4=N3=M

1=K2=L

Hur många elektroner ryms elektronskalen ?

Elektronskal 1=K består av 1 orbital = 2 . 1 elektroner2 =L 1 + 3 orbitaler = 2 . 1 + 2 . 3 = 8 e3 =M 1 + 3 + 5 orbitaler = 2 . 1 + 2 . 3 +

2 . 5 = 18 e4 =N 1 + 3 + 5 + 7 = 2 . 1 + 2 . 3 + 2 . 5

+ 2 . 7 = 32e

osv:6 ? = ?

According to the principle, electrons fill orbitals starting at the lowest available (possible) energy levels before filling higher levels

Aufbau principle

32e-18e-

2e-8e-

5072

Allt är uppbyggt av atomer

Positivt laddad kärnaprotoner med laddning +1neutrala neutroner

Negativt laddat elektronmolnelektroner med laddning -1

En atom innehåller alltid lika många protoner som elektroner

Grundämnen

• Atomer med samma antal protoner(= atomnumret) är samma grundämne

• En atom har alltid lika många elektroner som protoner

• Antalet neutroner kan variera- atomer med samma antal protoner men olika många neutroner kallas isotoper

Xmasstal

atomnummer

laddning

antal

Xmasstal

atomnummer

laddning

Antal atomer i formelenheten

= protoner + neutroner

= protoner

42He

2Fe

3

4PO 2H O

Några grundläggande begrepp

Materia allt som har volym och upptar massaGrundämne/element atomer av en/samma sortKemisk förening sammansatt av flera atomer, kan

sönderdelas i grundämnenMolekyl minsta beståndsdel i en kemisk förening

(ej salter)Jon atom eller molekyl med laddningRent ämne ett grundämne/en föreningBlandning heterogen: mer än ett ämne som är

ojämt fördelade i varandrahomogen: mer än ett ämne som är jämnt fördelade i varandra

Lösning homogen blandningIsotop variant av grundämne

Kemiska föreningar

De flesta atomer finns i naturen i bunden form i olika kemiska föreningar

- tillsammans med andra grundämnen- tillsammans med andra atomer av

samma grundämne

Undantag: ädelgaser


Atomer delas in i olika grundämnen

Känns igen på antal protoner i kärnan Atomnumret = antalet elektroner

Antal neutroner kan skilja1/3 av grundämnena förekommer i naturen i ren form,2/3 finns endast bundna i olika kemiska föreningar

80 % av alla grundämnen är metaller (bra ledare av värme och el, glänsande)

= olika isotoperex 12C 13C

14C1H & 2H

(deuterium)Namn, kemiska symbolerInternationellt regelverk för- formelskrivning- namn på kemiska föreningar- atommassor

Av IUPACInternational Union ofPure and Applied Chemistry


Isotoper

12 13 14C ; C ; C

1 2 3H ; H (D) ; H (T)

Grundämnet väte har alltid en proton i sin kärna. Det normala är att väte inte har någon neutron alls. När ett grundämne kan ha olika antal neutroner i sin kärna säger man att de olika varianterna är isotoper av grundämnet. Alla tre atomerna ovan är dock väte. Tungt vatten innehåller istället för vanligt väte isotopen deuterium. D2O


Radioaktiva grundämnen En icke-stabil isotop av ett grundämne kallas för en

radioaktiv isotop. Atomkärnan faller spontant sönder i mindre delar, andra

isotoper av samma grundämne eller till andra atomslag samtidigt som de sänder ut radioaktivstrålning.

Ca 330 kända isotoper, varav 270 är stabila och 60 naturligt radioaktiva

Alla över 83 är radioaktiva, även ett fåtal med lägre atomnummer har radioaktiva isotoper

11 grundämnen saknar helt stabila isotoper

Halveringstid, kol-14, 14C, ~5700 år, nybildas i atmosfären och byggs in i allt liv genom att koldioxid fixeras i fotosyntesen


Marie Skłodowska Curie

Marie Curie1867-1934

Begreppet radioaktivitet är myntat av Marie

Marie utvecklade tekniker för att isolera radioaktiva isotoper och

upptäckte två grundämnen polonium, Po, och radium, Ra.

1903 Nobelpriset i fysik (första kvinna) 1911 Nobelpriset i kemi (först att få två

pris) Ett grundämne curium, Cm, och curie, Ci enhet för radioaktivitet.


Klyvningsprodukter från uran-238

γ−strålningSönderfall av Uran-238

När en heliumkärna bildas på detta sättKallas den för en apartikel och att detRadioaktiva ämnet utsänder astrålning.(U = uran, Th = torium).Medan gstrålning en elektromagnetisk strålningMed mycket kort våglängd, samma strålningSom synligt ljus fast mer energirik och kräverBly eller tjock betong som skydd mot den.astrålning kan stoppas av ett papper ellerNågra centimeter luft.


Klyvningsprodukter från kol-14Tunga atomkärnor sönderfall avger ofta a-strålning, medan lätta Radioaktiva isotoper som 14C avger b-strålning. b-sönderfall sker genomAtt en neutron i en atomkärna sönderfaller i en proton, en elektronOch en antineutrino, elektronen som sänds ut utgör b-strålning. (antimateria-version av neutrinon = elementarpartikel).

När en 14C-atom utsänder en elektron (b-strålning) omvandlas denSjälv till kväveatom.


HalveringstidStrålningen från ett prov som innehåller en viss radioaktiv isotop minskar efterhand som de radioaktiva atomerna sönderfaller och bildar nya ämnen. Den tid som krävs för att hälften av den radioaktiva isotopensAtomer ska hinna sönderfalla kallas halveringstid.

Cesium-137 Cs och har atomnummer 55 och har halveringstid 30 år.

Atmosfärens koldioxid innehåller en konstant andel 14CO2 eftersom detRåder balans mellan nybildning och sönderfall av den radioaktiva Isotopen. 12C (98,89%), 13C (1.11%), 14C (0.01%).Så länge växter och djur lever utbyter kol med omgivningen (konstant Halt 14C). När en växt, djur dör omsätts inte längre dess kolhaltiga ämnenOch dess halt av 14C att minska i takt med att dessa isotoper sönderfaller. 14C isotopen halveringstid är 5700 år man kan beräkna materialets ålder.


s dp

f

Källor

• Bilderna är Creative Commons märkta med licenserna och mina egna.

2009-08-17

Education

Kemi net21-uppgift