(cid:34)(cid:33)(cid:51)(cid:41)(cid:51)(cid:43)(cid:37)(cid:45)(cid:41) B (cid:40)(cid:37)(cid:44)(cid:39)(cid:37)(cid:0)(cid:45)(cid:57)(cid:39)(cid:41)(cid:46)(cid:36)(cid:0)(cid:115)(cid:0)(cid:47)(cid:44)(cid:37)(cid:0)(cid:54)(cid:37)(cid:51)(cid:52)(cid:37)(cid:50)(cid:44)(cid:53)(cid:46)(cid:36)(cid:0)(cid:46)(cid:41)(cid:37)(cid:44)(cid:51)(cid:37)(cid:46)(cid:0)(cid:115)(cid:0)(cid:54)(cid:41)(cid:34)(cid:37)(cid:43)(cid:37)(cid:0)(cid:33)(cid:56)(cid:37)(cid:44)(cid:51)(cid:37)(cid:46) (cid:40)(cid:33)(cid:33)(cid:51)(cid:37)(cid:0)(cid:6)(cid:0)(cid:51)(cid:140)(cid:46)(cid:51)(cid:0)(cid:38)(cid:47)(cid:50)(cid:44)(cid:33)(cid:39) Helge Mygind, Ole Vesterlund Nielsen og Vibeke Axelsen: Basiskemi B © forfatterne og Haase & Søns Forlag as 2010 Typografisk tilrettelæggelse, omslagsdesign og tegninger: Carsten Valentin, Valentin Design Figur s. 286 er omtegnet efter Haldor Topsøe A/S: Kunstgødning og ammoniak, 2009: s. 300 efter NPO-redegørelsen, Miljøministeriet, 1984 Data i grundstoffernes periodesystem er fra Pure and Applied Chemistry 81, s. 11-13 Sat med ITC Legacy Serif og ITC Legacy Sans og trykt hos AKA-Print, Århus 1. ebogsudgave 1. oplag 2010 ISBN 978-87-559-5006-1 (e-bog) Fotos af laboratorieopstillinger: s. 8, 22, 56, 57, 163, 169, 224ø, 224m, 224n, 248ø, 249ø, 293ø, 293m, 293n: Anders Clausen © Haase & Søns Forlag. Øvrige fotos: s. 6, 7, 13, 14, 19, 23 tv, 23th, 25ø, 25n, 28, 37ø, 37n, 44, 64, 72, 74, 75, 79, 81, 84, 116, 119, 124, 142, 160, 161, 168n, 170ø, 172n, 174, 181ø, 192, 210, 211, 214, 226ø, 226n, 227ø, 242, 250, 251, 256ø, 257n, 262, 263ø, 264n, 265, 266, 269, 273, 280, 281, 298: FOCI IMAGE LIBRARY; s. 67, 246, 263n, 274: Polfoto; s. 26, 34, 41, 102, 104, 120, 139, 146, 148, 166n, 168ø, 170n, 180n, 204, 208, 220th, 237, 243, 248n, 256, 259, 264ø, 267n, 287: forlagsarkiv; s. 96, 159ø, 159n, 166ø, 172ø, 172m, 180ø, 220tv, 220m, 228, 232, 249n, 257ø, 258, 267ø, 275, 276, 278, 304ø, 304n: Wikimedia; s. 181: Uszott Szembe; s. 227n: emilies-hjoerne.blogspot.com; s. 254: picasaweb/Finn; s. 260: Ole Vesterlund Nielsen; s. 261: John Fowlie; s. 268, 296: Scanpix; s. 276ø: The Compulsive Recycler; s. 283: Janet Phillips; s. 290: Burrup Fertilisers Ammonia Plant. For enkelte illustrationers vedkommende har det været umuligt at finde frem til den retmæssige copyrightindehaver. Såfremt ophavsretten herved er blevet krænket, er det sket utilsigtet, og retmæssige krav vil ved henvendelse til forlaget blive honoreret, som var en aftale på forhånd indgået. Kopiering fra denne bog er kun tilladt ifølge aftale med Copydan. Titler i serien Basiskemi C Facit til grundbøgernes opgaver udgives kun som e-hæfter BASISKEMI Basiskemi C. Facit (pdf), men kan også ses på haase.dk. Her findes også Basiskemi B elektroniske notat ark til hver af grund bøgerne. Notatarkene Basiskemi B. Facit kan frit downloades. Basiskemi A BASISKEMI forventes at foreligge færdigudgivet i 2011. Basiskemi A. Facit For yderligere information om endnu ikke udkomne titler Basiskemi Xperimenter henvises til forlagets hjemmeside. Haase & Søns Forlag as [email protected] · www.haase.dk Indhold Forord 5 Regler for opskrivning af reaktions brøken 62 1 Kemiske reaktioners hastigheder Destillation 63 Reaktionshastighed 7 Gassers opløselighed i vand 66 Reaktanternes koncentrationer 11 Opsamling 70 En reaktants overfladeareal (heterogene reaktioner) 13 3 Syre-basereaktioner Reaktionsmekanisme 14 Syrer og baser 73 Forløbet af en elementarreaktion 16 Vands autohydronolyse. pH og pOH 75 Et eksempel på en bimolekylær Måling af pH 79 elementarreaktion 18 Syrestyrke 81 Temperaturens betydning for Basestyrke 84 reaktionshastigheden 19 Korresponderende syre-basepar 85 Katalysator 22 Beregning af pH i syreopløsninger 87 Inhibitor 25 Beregning af pH i baseopløsninger 90 Opsamling 26 Pufferopløsninger 92 Om brugen af pufferligningen 98 2 Kemisk ligevægt Bjerrumdiagrammer 100 En kemisk ligevægt 29 pH i amfolytopløsninger 105 Ligevægtsloven 33 Titrering af stærk syre med stærk base 107 Betydningen af ligevægtskonstanten 35 Titrering af svag syre med stærk base 110 Ikke-ligevægt 39 Titrering af polyhydrone syrer 112 Ændring af en reaktionsdeltagers Opsamling 114 stofmængde koncentration 40 Beregning af en forskydning 43 4 Carbonhydriderne Temperaturændringer 44 Carbonhydridernes opbygning 117 Gasser 45 Intermolekylære bindinger 121 Ligevægtsloven med partialtryk 49 Nogle vigtige organiske reaktionstyper Volumenændringer (trykændringer) 51 127 Opløsningsmidlet som reaktionsdeltager 53 Oversigt over carbonhydridernes Heterogene ligevægte 56 egenskaber 134 Opløselighedsprodukt 58 Polymerisation af alkener 135 Indgreb i en opløselighedsligevægt 61 Opsamling 141 5 Karakteristiske grupper og 8 Uorganisk kemi stofklasser i den organiske kemi Komplekser 247 Hydroxyforbindelser: alkoholer og Calcium 248 phenoler 143 Jern 255 Alkoholers opbygning og Nikkel 262 navngivning 144 Kobber 264 Fremstilling og anvendelse af Halogenerne 269 alkoholer 147 Opsamling 279 Alkoholers fysiske egenskaber 148 Alkoholers kemiske egenskaber 151 9 Vigtige uorganiske Ethere 155 nitrogenforbindelser Phenoler 157 Nitrogen 281 Oxoforbindelser: aldehyder og ketoner 158 Næringsstoffer 281 Carboxylsyrer 163 Ammoniak 286 Estere 167 Salpetersyre 291 Aminer 170 Nitrats opbygning og egenskaber 292 Syrechlorider og amider 173 Nitrogenomsætningen i rodzonen 294 Navngivningsregler 175 Nitratforureningen 301 Organiske stoffer med farve 178 Danskernes nitratindtagelse 303 Lys og farver 183 Absorbans 183 Register 307 Opsamling 190 Tabeller 6 Isomeri A. Det kemiske talsystem 312 Strukturisomeri 193 B. Nogle syrers og basers styrke 312 Stereoisomeri 195 C. Dekadiske præfikser 313 Eksempler på spejlbilledisomere D. Nogle vigtige ioners formler og molekyler 209 navne 313 Opsamling 212 E. Spændingsrækken 314 F. Nogle syre-baseindikatorer 314 7 Kosten – kemisk set G. Regler for tildeling af oxidationstal 314 Kostens bestanddele 215 H. Afstemning af reaktionsskemaer for Carbohydrater 217 redoxreaktioner 314 Monosaccharider 218 I. Nogle ionforbindelsers opløselighed i Disaccharider 225 vand 315 Polysaccharider 228 J. Hovedgruppegrundstoffernes Fedtstoffer 232 elektro negativitet 315 Aminosyrer 238 K. Tabelværdier 315 Proteiner 240 Opsamling 244 Grundstoffernes periodesystem 316 Forord Basiskemi B dækker sammen med Basiskemi C kernestoffet, som det er be- skrevet i læreplanen for Kemi B på de gymnasiale uddannelser efter gym- nasiereformen 2005. For at få passende kontinuitet og sammenhæng i tek- sten er der i de fleste kapitler også inddraget kernestof, der kun er tilknyt- tet kemi på A-niveau. Desuden vil man i teksten finde en del supplerende stof, som naturligvis kan tilvælges frit efter interesse og studieretning. Basiskemi B er en gennemrevideret udgave af Helge Myginds Kemi 2000 A-niveau 1. Vi vil gerne takke Helge Mygind for kommentarer og inspi- ration til faglige diskussioner undervejs. Det har været vigtigt for os at videreføre Myginds klare og præcise opbygning af teksten, så det tydeligt fremgår, hvor de vigtige pointer findes. Navngivningen af kemiske stoffer følger anbefalingerne fra Kemisk Forenings Nomenklaturudvalg (Kemisk Ordbog, 3. udg., 2008). Til beregningsformler har vi af hensyn til de elever, som fortsætter med kemi på A-niveau, benyttet nomenklaturen fra Formelsamling kemi A (Kemiforlaget). Da arbejdet med kemi kræver tabel opslag, og man på de fleste skoler benytter sig af Databog fysik kemi (F & K Forlaget), har vi valgt at benytte data herfra. Den uorganiske kemi synliggøres i kapitlerne 8 og 9, men der er tilfø- jet afstikkere til den organiske kemi for at illustrere, at der er væsentlige overlap mellem de to hovedområder inden for kemien. Kapitel 8 giver en systematisk præsentation af udvalgte metaller og ikke-metaller, og i kapitel 9 gennemgås et tema om nitrogens kemi. Det er ikke tanken, at al den uorganiske kemi systematisk skal gennemlæses – man kan så- ledes udvælge efter interesse og behov. Emnerne er hentet fra områder, hvor det er muligt at udføre eksperimentelt arbejde i et normalt udstyret kemi laboratorium. Hvert af bogens kapitler afsluttes med en opsamling af vigtige be- greber. For at eleverne kan arbejde aktivt med forståelsen af stoffet, er der udfærdiget to notatark til hver opsamling. Det mest hensigtsmæs- sige er, at eleverne noterer på egne ark, og notat arkene kan derfor frit down loades fra forlagets hjemmeside. Kommentarer til teksten, forslag til ændringer og påvisninger af eventuelle fejl vil blive modtaget med taknemmelighed. Vibeke Axelsen Ole Vesterlund Nielsen 5 1 Kemiske reaktioners hastigheder Reaktionshastighed 7 Reaktanternes koncentrationer 11 En reaktants overfladeareal (heterogene reaktioner) 13 Reaktionsmekanisme 14 Forløbet af en elementarreaktion 16 Et eksempel på en bimolekylær elementarreaktion 18 Temperaturens betydning for reaktionshastigheden 19 Katalysator 22 Inhibitor 25 Opsamling 26 En computerberegnet model af enzymet glutaminsyntetase. Enzymet er en katalysa- tor for dannelsen af aminosyren glutamin i kroppen, en reaktion, som uden enzymets tilstedeværelse ville foregå uendelig lang- somt. Ved reaktionen sammenkobles to molekyler under dannelse af en ny kovalent binding. KEMISKE REAKTIONERS HASTIGHEDER Kemiske reaktioners hastigheder Reaktionshastighed Ved forsøget på figur 1 sammenlignes reaktionshastigheden for føl gende tre reaktioner: Mg(s) + 2H+(aq) (cid:111) Mg2+(aq) + H (g) 2 Fe(s) + 2H+(aq) (cid:111) Fe2+(aq) + H (g) 2 Cu(s) + 2H+(aq) (cid:111) Cu2+(aq) + H (g) 2 Man kan umiddelbart se, at magnesium reagerer væsentligt hur- tigere end jern, og at kobber slet ikke reagerer med den fortyndede saltsyre. Vi har her fået demonstreret, at kemiske reaktioners ha- stigheder afhænger af, hvilke stoffer der reagerer. Reaktionerne på figur 1 sker ret langsomt. Omdannelsen af jern til rust er et dagligdags eksempel på en langsom kemisk re- Figur 1. Metaller i reak- aktion. Nogle kemiske reaktioner forløber med meget stor hastig- tion med fortyndet salt- hed. Det gælder fx syre-basereaktioner. syre. Fra venstre mod Hvis man vil lave et simpelt forsøg, hvor man følger forløbet af højre: magnesium, jern en kemisk reaktion, må man vælge en reaktion, som foregår pas- og kobber. Udvikling af H(g) ses i glassene med sende langsomt. Som eksempel tager vi redoxreaktionen mellem 2 magnesium og jern. bromid (Br(cid:16)) og bromat (BrO (cid:16)) i sur opløsning: 3 5Br(cid:16)(aq) + BrO (cid:16)(aq) + 6H+(aq) (cid:111) 3Br (aq) + 3H O(l) 3 2 2 Man kan demonstrere reaktionen ved fx at opløse 0,100 mol NaBr og 0,00100 mol KBrO i 900 mL vand i et stort bægerglas, hvoref- 3 ter reaktionen startes ved tilsætning af 100 mL 2 M HCl. Samtidig startes et stopur. De angivne mængder er ikke ækvivalente. Der er underskud af BrO (cid:16). Den aktuelle stofmængdekoncentration af BrO (cid:16) er 3 3 0,00100 M ved reaktionens start (reaktionsblandingens volumen sættes til 1 liter). Start- og slutkoncentrationerne af BrO (cid:16) og Br 3 2 anføres under reaktionsskemaet: 7 KEMISKE REAKTIONERS HASTIGHEDER 5Br(cid:16)(aq) + BrO (cid:16)(aq) + 6H+(aq) (cid:111) 3Br (aq) +3H O(l) 3 2 2 start: 1,00 (cid:152)(cid:3)10-3 M 0 M slut: 0 M 3,00 (cid:152)(cid:3)10-3 M Reaktionen er færdig, når BrO (cid:16) er brugt op. Bemærk, at [Br ] vok- 3 2 ser tre gange så meget, som [BrO (cid:16)] aftager, jævnfør koefficienterne 3 i reaktionsskemaet. Lige når man starter reaktionen, er reaktionsblandingen farve- løs, men efterhånden bliver den mere og mere gul som tegn på, at der dannes en voksende mængde dibrom. Farveintensiteten er et mål for dibromkoncentrationen (se figur 2). Man kan bestemme [Br ] ved at måle opløsningens absorption af lys i et såkaldt spek- 2 trofotometer, se side 183. Figur 2. Ved reaktionen mellem bromid og bromat dannes der grad- vist mere og mere af det gule dibrom. t = 0 s t = 30 s t = 80 s t = 500 s Figur 3 viser, hvordan den aktuelle stofmængdekoncentration af dibrom vokser under reaktionen. Det ses umiddelbart, at dannel- sen af dibrom sker hurtigt i starten, og at reaktionen bliver lang- sommere og langsommere, efterhånden som tiden går. Man kan definere reaktionshastigheden som tilvæksten i den aktuelle stof- mængdekoncentration af dibrom pr. tid: ∆[Br ] v= 2 ∆t Hvis man fx skal finde reaktionshastigheden til tidspunktet 100 s, kan man anvende tidsintervallet fra 80 s til 120 s. Antag, at den 8 KEMISKE REAKTIONERS HASTIGHEDER [Br2]/10−3M Figur 3. Den aktuelle 3 stofmængdekoncentra- tion af dibrom som funk- tion af tiden. 2 ∆[Br2] ∆t 1 t/s 0 0 100 200 300 400 aktuelle stofmængdekoncentration af dibrom har følgende værdi ved de to tidspunkter: [Br2] = 1,83 (cid:152) 10(cid:16)3 M ved t = 80 s [Br2] = 2,24 (cid:152) 10(cid:16)3 M ved t = 120 s Tilvæksterne beregnes. Det er sidste værdi fratrukket første værdi: ∆[Br2] = 2,24 (cid:152) 10(cid:16)3 M(cid:3)(cid:16)(cid:3)1,83 (cid:152) 10(cid:16)3 M = 4,1 (cid:152) 10(cid:16)4 M ∆t = 120 s (cid:16)(cid:3)80 s = 40 s ∆[Br ] og ∆t er vist på figuren. Nu kan vi beregne hastigheden: 2 ∆[Br ] 4,1⋅10−4 M v= 2 = =1,03⋅10−5 M/s ∆t 40 s Strengt taget er dette ikke reaktionshastigheden til tidspunktet 100 s. Det er den gennemsnitlige reaktionshastighed i tidsintervallet fra 80 s til 120 s. Vi kunne måske få en mere præcis værdi for reaktionshastig- heden til tidspunktet 100 s ved at vælge tidsintervallet fra 95 s til 105 s eller fra 99 s til 101 s, men så bliver der et andet problem: Måleusikkerheden får nemlig større og større betydning, desto mindre intervaller vi anvender. Mere korrekt kan man finde den øjeblikkelige reaktionshastig- hed til tidspunktet 100 s ved at tegne en tangent til kurven i det 9 KEMISKE REAKTIONERS HASTIGHEDER [Br2]/10−3M pågældende punkt og derefter aflæse tangentens hældningskoef- 3 ficient (se figur 4). Bruger man et CAS-værktøj til graffremstil- lingen, vil man kunne få programmet til at tegne tangenter til kurven og angive hældningskoefficienterne for disse tangenter. 2 Herved kan øjeblikshastigheder bestemmes til flere tidspunkter i reaktionsforløbet. 1 I reaktionen optræder Br(cid:16), BrO (cid:16) og H+ som reaktanter, mens Br 3 2 og H O er produkter (reaktionsprodukter). Reaktanternes aktuelle 2 t/s stofmængdekoncentrationer aftager under reaktionen. Figur 5 vi- 0 0 100 200 ser, hvordan [BrO (cid:16)] aftager. 3 Vi kunne vælge at definere reaktionshastigheden som formind- Figur 4. Man kan finde skelsen af [BrO (cid:16)] pr. tid: reaktionshastigheden til 3 tidspunktet 100 s ved at aflæse tangentens hæld- −∆[BrO −] v*= 3 ningskoefficient. ∆t v* og v er naturligvis ikke lige store. Da tilvæksten i den aktuelle koncentration af dibrom er tre gange større end formindskelsen af den aktuelle stofmængdekoncentration af bromat, er v tre gange større end v* (sammenlign figur 3 og 5). Figur 5. Bromatkoncen- [BrO3−]/10−3M trationen som funktion af tiden. 1 ∆t −∆[BrO−] 3 t/s 0 0 100 200 300 400 En kemisk reaktions hastighed kan defineres som tilvæksten af et reaktionsprodukts aktuelle stofmængdekoncentration pr. tid eller som formindskelsen af en reaktants aktuelle stofmængde- koncentration pr. tid. Hvis der i reaktionsskemaet er koefficienter, som er forskellige fra 1, må man sørge for, at det er helt tydeligt angivet, hvilken af reaktionsdeltagerne hastigheden er baseret på. Enheden for reaktionshastigheden angives normalt i M/s, men hvis man arbejder med ret langsomme reaktioner, vil man un- dertiden vælge at angive reaktionshastigheden i M/min eller M/h (h = time). 10