Kemi net21-uppgift

Naturvetenskap och teknik (NAT)
Kap 1 o 2
2009-08-17 Naturvetenskap, teknik och matematik
Ismail Ibrahem
Docent 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 kemi
Du 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:
Material
Mediciner
Sätt att ta vara på förnyelsebar energi
Sätt 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.v
Naturvetenskapen 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 hur
Experimentet 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 till
Den egna hypotesen samt till litteraturuppgifter. Diskutera vilka felkällor
Experimentet innehöll och hur experimentet skulle kunna förbättras.
Redovisning av experiment

Risker vid laboratoriearbete
Farosymboler
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.

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

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

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

Giftig
Produkten ger livshotande skador vid inandning,
hudkontakt eller förtäring.

Skadlig
Produkten 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.

Hälsofarlig
Produkten 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.

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

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

Kemi
Fysikalisk kemi Analytisk kemi
Oorganisk kemiBio-kemi
Organisk kemi
Organisk Syntes
Petroleum- och Bio-baserade material
Plast, Skum, Papper, Modiﬁerad ﬁber
Kirala molekyler
Naturliga produkter, Pharmaceutical

Grundläggande begrepp
Grundämne: består av ett enda slags atomer
Ex. Helium (He), Syre (O), Järn (Fe)
Kemiska föreningar: består av atomer från två
eller flera olika grundämnen som är kemiskt
bundna till varandra
Ex. Vatten (H2O), Glukos (C6H7O(OH)5)

Grundläggande begrepp
Molekyl
består av minst två atomer som är kemiskt
sammanbundna.
Jon,
positivt eller negativt laddad atom eller
atomgrupp.
Ex. Na+, Cl-, OH-
H2O
NaCl (Na+ Cl-)

Aggregation former

De tre aggregationstillstånden – H2O
Fas fas, s,
Flytande fas, l,
Gasfas, g,

De tre aggregationstillstånden

Aggregationstillstånd – vattnets fasdiagram
Förångning – från vätska till gas
Kondensation – från gas till vätska
Smältning – från fast fas till vätska
Stelning – från vätska till fast fas
Sublimering – från fast fas till gas
Deposition – 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.

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

=läran om olika ämnens
egens Struktur
och Sammansättning
Allt 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

ATOMEN
En 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 elementär
partiklar. 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.

Materia
reagerar 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.
Demokritos
460- 370 f Kr

LITE MER OM ATOMER -
ATOMMODELLER
John Dalton
1766-1844
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”

ATOMMODELLER
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,
ATOMMODELLER
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 samband
Med 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

ATOMMODELLER
N. Bohr
I Bohrs modell så har elektronerna banor runt
kärnan som planeter rör sig runt solen, elektronerna
Kunde befinna sig på vissa energinivåer.
Elektronerna har olika energienivåer och finns i olika
skal k, l, m, … orbitaler (rör sig runt kärnan).
K
N
M
L
Helium – atomnummer 2
Järn – atomnummer 26

Schrödinger och Heisenberg (osäkerhetsprincipen)
ATOMMODELLER
Vi kan inte säga något om elektronernas banor eller
positioner, vi kan bara prata om sannolikheter.
I denna rymd är det sannolikt att elektronen
Befinner sig.
http://www.youtube.com/watch?v=K-jNgq16jEY

Rutherford, 1910-tal

K
N
M
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 Antoine
Lavoisier löste förbränningens mysterium. Han värmde tenn Sn i en
sluten 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 ämne
Har samma egenskaper och väger lika
Mycket och kallas för grundämne. Kemiska
Föreningar 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.

Protoner
Neutroner
= atomnummer
antalet kan variera
ex: 12C 13C 14C
= isotoper av kol

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=N
3=M
1=K
2=L

Hur många elektroner ryms
elektronskalen ?
Elektronskal 1=K består av 1 orbital = 2 . 1 elektroner
2 =L 1 + 3 orbitaler = 2 . 1 + 2 . 3 = 8 e
3 =M 1 + 3 + 5 orbitaler = 2 . 1 + 2 . 3 + 2 . 5 = 18 e
4 =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

Allt är uppbyggt av atomer
Positivt laddad kärna
protoner med laddning +1
neutrala neutroner
Negativt laddat elektronmoln
elektroner 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

X
masstal
atomnummer
laddning
antal

X
masstal
atomnummer
laddning
Antal atomer i formelenheten
= protoner + neutroner
= protoner
4
2He
2
Fe 
3
4PO

2H O

Några grundläggande begrepp
Materia allt som har volym och upptar massa
Grundämne/element atomer av en/samma sort
Kemisk förening sammansatt av flera atomer, kan sönderdelas i
grundämnen
Molekyl minsta beståndsdel i en kemisk förening (ej
salter)
Jon atom eller molekyl med laddning
Rent ämne ett grundämne/en förening
Blandning heterogen: mer än ett ämne som är ojämt
fördelade i varandra
homogen: mer än ett ämne som är jämnt
fördelade i varandra
Lösning homogen blandning
Isotop 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 skilja
1/3 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 isotoper
ex 12C 13C 14C
1H & 2H (deuterium)
Namn, kemiska symboler
Internationellt regelverk för
- formelskrivning
- namn på kemiska föreningar
- atommassor
Av IUPAC
International Union of
Pure and Applied Chemistry

Isotoper
12 13 14
C ; C ; C
1 2 3
H ; 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 Curie
1867-1934
 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
U
238
92
Th
234
90
He
4
2
a-partikel
γ−strålning
Sönderfall av Uran-238
När en heliumkärna bildas på detta sätt
Kallas den för en apartikel och att det
Radioaktiva ämnet utsänder astrålning.
(U = uran, Th = torium).
Medan gstrålning en elektromagnetisk strålning
Med mycket kort våglängd, samma strålning
Som synligt ljus fast mer energirik och kräver
Bly eller tjock betong som skydd mot den.
astrålning kan stoppas av ett papper eller
Några centimeter luft.

Klyvningsprodukter från kol-14
C
14
6 N
14
7 + e- (b-strålning)
Tunga atomkärnor sönderfall avger ofta a-strålning, medan lätta
Radioaktiva isotoper som 14C avger b-strålning. b-sönderfall sker genom
Att en neutron i en atomkärna sönderfaller i en proton, en elektron
Och en antineutrino, elektronen som sänds ut utgör b-strålning.
(antimateria-version av neutrinon = elementarpartikel).
När en 14C-atom utsänder en elektron (b-strålning) omvandlas den
Själv till kväveatom.
n p+ + e- + ve

Halveringstid
Strålningen 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 isotopens
Atomer 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 det
Råder 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 ämnen
Och 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
d
p
f

Källor
• Bilderna är Creative Commons märkta med
licenserna och mina egna.
2009-08-17

Kemi net21-uppgift

Empfohlen

Empfohlen

Weitere ähnliche Inhalte

Was ist angesagt?

Was ist angesagt? (20)

Andere mochten auch

Andere mochten auch (6)

Kemi net21-uppgift