Naturkunskap A
Lektioner


Kemi.


Synen på materia genom tiderna
Vad är egentligen materia? För att besvara frågan är det en bra utgångspunkt om man funderar på vad materia har för egenskaper. För det första har materia en massa. Massan, hur liten eller stor den är, är mätbar. Lika så har materia en volym, eftersom den är avskiljd från dess omgivning. Skulle inte den ha en begränsning, skulle den inte kunna definieras som något fristående.

Då kan vi dra slutsatsen att materia är mätbar, den har en viss massa och en viss volym.

När människan började bli alltmer effektiv inom jordbruket, blev det uppenbart att alla händer inte behövdes till att få fram föda. Vissa av de som på detta sättet blev friställda har börjat ägna sig åt tankeverksamhet (filosofi). De antika grekerna har byggt upp sin världsbild och sina hypoteser via iakttagelser. Experiment för att bevisa teorierna ansågs vara oviktiga och väldigt få experiment gjordes. Man sysslade mycket med tankar kring materia och dess beskaffenhet.
Det har genom historien varit många teorier vad materia består av och vad det egentligen är. Enligt en av de tidigaste teorierna kom allting från ett visst urämne som allting bestod av. Allting av uppbyggd av samma urämne och när man dog bröts man ner i urämnet som därefter åter fick en ny skepnad.
Så småningom så började man undra vad urämnets naturliga form var. En del ansåg att urämnets naturliga form var jord, eftersom alla växter växte upp ur jorden och alla döda ting bröts ner på eller i marken. En del ansåg att det var vattnet, eftersom det är det som får de levande tingen på marken att vakna till liv och utan vatten dog alla levande ting.

Allt detta ledde så småningom fram till Empedokles (490 – 430 f.Kr) antagande om naturens fyra grundelement. Dessa är även kända som de fyra elementen. Dessa är jord, luft, eld och vatten. Enligt Empedokles var alla ämnen som inte var grundelement var en blandning av några av dessa fyra.

Leukippos (400 –talet f. Kr) hade en annan uppfattning. Han menade att all materia kunde sönderdelas i mindre bitar, vilka i sin tur kunde sönderdelas i ännu mindre bitar, osv, tills man kom fram till den minsta odelbara enheten, vilket han kallade atom (atomos = odelbar). Leukippos tanke var att dessa atomer rörde sig i ett tomrum (vakum), där de kolliderade med varandra, klumpade ihop sig och bildade större, synbara kroppar av materia. Detta var är den teori vi under modern tid har anammat. Det är inte så svårt att förstå att teorin mötte stor skepsis. I och med att den förklarade materias väsen som något bestående av delar som var för små att se med det blotta ögat, var det få som stödde hans teorier. I stället blev det Aristoteles tongivande när han förespråkade teorin om de fyra elementen. Hans teorier har senare stötts av den kristna kyrkan.

Alkemisterna trodde också på de fyra elementen. De trodde att om man blandade rätt ämnen av de fyra elementen av rätt proportioner, kunde man framställa guld. I sin iver har de hunnit framställa en uppsjö av olika kemiska föreningar och grundämnen. I och med att de har fört noggranna anteckningar över sina försök, kunde man sedan åter framställa dessa ämnen. Alkemisterna var medeltidens stora experimenterare; deras betydelse kunde inte nog understrykas. Givetvis har de aldrig lyckats framställa guld. Det fanns förvisso en uppsjö av bedragare; de som ville sälja svavelkis som guld, eller smugglade ner guldkorn i sina kärl för att lura rika personer på pengar.
En klen tröst för dem kan vara att man faktiskt kan framställa guld ur kvicksilver. Metoden kräver dock att kvicksilvret behandlas under hög tryck och temperatur. Men metoden är tyvärr långt dyrare än själva brytningen och den klassiska utvinningen av guld.
I sin iver att framställa guld under medeltiden hade målsättningen att framställa guld. Under de olika försöken har man däremot framställt en rad olika ämnen och grundämnen.

Under medeltiden så fanns det en teori om att brännbara ting innehöll ett brännbart ämne; flogiston. När det brännbara ämnet har slutat brinna, tog flogistonet slut. Alltså, innehöll t.ex. en vedbit flogiston och aska. Om man nu utgår ifrån att all materia hade en massa, så måste även flogistonet väga något. När man därför har brännt upp ett brännbart ämne, måste dess massa ha minskat.
Rent teoretiskt kan alltså flogistonets existens påvisas, om man väger det brännbara ämnet före och efter förbränning. Massaskillnaden före och efter förbränningen skulle då motsvara flogistonets massa.
Den franska kemisten Lavoisier på 1700 – talet gjorde en sådan försök med kvicksilver i en sluten behållare. I behållaren förutom kvicksilvret fanns luft. Efter att han har förbränt kvicksilvret, har dess massa – för honom förvånande nog ökat – medans behållarens massa förblev densamma. Efter att ha upprepat försöket fann han att denna viktökning är ca. 20%.
Eftersom det bara fanns luft förutom kvicksilvret i behållaren, kunde denna extra vikt bara komma från luften. Men eftersom luften fortfarande fanns kvar i behållaren, måste det ha funnits något i luften som gav upphov till själva viktökningen.
Genom detta experiment visade Lavossier att ”grundelementet” luften bestod av flera olika ämnen.

Nu började man alltmer ifrågasätta teorin om de fyra elementen. Man insåg att materians grundläggande byggstenar består av mer än fyra ämnen. De ämnen man i början identifierade var vissa metaller och dessutom syre, svavel och kväve. Dessa grundämnen – som bara består av en slags atomer och inte kan delas upp i andra ämnen med normala kemiska metoder – namngavs med en bokstav eller en bokstavskombination beroende på deras grekiska eller latinska namn, något man sedan kom att kalla vetenskapliga namn.

Atomen är däremot inte lika odelbar som Leukippos trodde. En atom består av flera olika delar.

Både neutronen och protonen är ”tunga” delar, deras massa uppskattas till 1,669 · 10-25 kg. Eftersom det är så svårt att räkna med sådana tal, har man infört begreppet 1 u (unit).
Elektronen är väldigt liten, den väger bara 1/1800 av protonens massa. I och med att den är så lätt så är den också mera rörlig och kretsar kring den tunga protonen som finns mitt i atomen, tillsammans neutronen.

Elektronerna rör sig i olika banor kring protonet. Dessa banor kallas för ringar. Ringarna kallas från närmast kärnan räknat; K, L, M, N, O… osv. När K – skalet är fullt, har den två elektroner. När L – skalet är fyllt, har den 8 elektroner. Alla de övriga skalen kräver 8 elektroner för att bli mättade.

När en atom är i sitt grundtillstånd, har den lika många protoner som elektroner. De positiva laddningarna i atomen blir då lika många som de negativa, vilket får till följd att enhetsladdningen då blir noll.
Atomerna har en förmåga att avge och ta upp elektroner; för att antingen tömma en elektronskal helt, eller fylla en elektronskal helt. Förhållandet mellan positiva och negativa laddningarna ändras då och enhetsladdningen blir lika med skillnaden mellan de negativa och de positiva laddningarna.

Till exempel, om en atom innehåller 8 elektroner och 10 protoner, blir enhetsladdningen +2. En annan atom som innehåller 6 elektroner och 4 protoner har enhetsladdningen -2.

De positiva laddningarna dras till de negativa och stöter bort de positiva. Likaså är fallet med elektronerna. Alla atomer har en strävan efter att ha fulla yttersta skal. Man säger att de vill uppnå ädelgasstruktur.

Eftersom atomerna är så små, kan man inte göra beräkningar med dem som enskilda atomer. Man har därför bestämt sig för att införa en enhet för ett antal atomer, vars massa man väger. Man bestämde då att 6,02 • 1023 atomer i ett ämne skulle motsvara enheten 1 mol. En mol av varje grundämne hade en specifik massa, som kunde vägas i gram.

Man fann att man kunde ordna grundämnena i en serie alltefter deras massa. Man började då organisera grindämnena i en tabell, det periodiska systemet. Tabellen är uppbyggd så, att de element som har ett elektronskal hamnar i första raden, de som har två elektronskal hamnar i andra raden och så vidare. Ämnen som har en elektron i sitt yttersta skal finns i första kolumnen, de som har två i sitt yttersta skal hamnar i kolumn två och så vidare. Eftersom atomerna kan ha som mest åtta elektroner i sitt yttersta skal, finns det bara åtta kolumner.

Masstalet för en atom är uppbyggt på följande sätt; man utgår från att både protoner och neutroner väger 1 u vardera. Elektroner väger 1/1800 u, varför deras massa är försumbar. Om vi vill alltså beräkna masstalet för en atom som innehåller 4 protoner och lika många neutroner, väger den då 4 + 4 = 8 u. Då varje mol är 6,02 • 1023 atomer väger 1 mol av en sådan atom 8 gram.

I vanliga fall (då atomen är i sitt gruntillstånd) har en atom lika många protoner som neutroner. Undantaget är i första hand vätet, som i normala fall inte innehåller några neutroner alls och väger därför bara ca 1g/mol. Sedan så är det så att varje atom har lite olika varianter. En och samma atom kan förekomma med fler neutroner än protoner. Dessa så kallade isotoper utgör en viss (i vanliga fall bara några få) procent av alla atomer. Dessa är däremot tyngre än de andra ”normala” atomerna. När man beräknar massa och anger detta i det periodiska systemet räknar man därför på genomsnittsmassan för alla formerna av ett grundämne.

Blandningar och rena ämnen

Vissa ämnen kan vara blandningar, andra rena ämnen. Rena ämnen kan i sin tur delas upp i grundämnen och i kemiska föreningar

Blandningar består av grundämnen eller kemiska föreningar och kan delas upp i sina beståndsdelar via enkla kemiska metoder. Dessa metoder kan vara filtrering, destillation, centrifugering.

Blandningar kan vara antingen homogena blandningar, där man inte kan urskilja de olika beståndsdelarna – och heterogena blandningar, där de olika beståndsdelarna kan urskiljas.

Luft är också en blandning. Luft består av gaserna kväve (78,09%), syre (20,95%), argon (0,93%), koldioxid (0,035%) och andra gaser.
Dessa gaser kan separeras genom destillation. Kemiska föreningar bildas när två olika ämnen (oftast grundämnen) reagerar med varandra så att en eller flera nya ämnen bildas. Dessa nya ämnen har nya egenskaper, som ursprungsämnena kanske inte hade.

Ett sådant exempel är reaktionen mellan kol och syre. Både kol och syre är brännbara grundämnen. När de reagerar med varandra bildas koldioxid, som är allt annat än brännbart.

I en kemisk förening kan man inte separera beståndsdelarna från varandra genom enkla kemiska metoder, utan via nya kemiska reaktioner.

De flesta rena ämnen i naturen är kemiska föreningar. När en atom har även fyllt sina yttersta skal med elektroner, säger man att den har ädelgasstruktur. Benämningen härrör från att grundämnena i grupp 8 (kolumn 8) har sina yttersta skal fyllda. Elektronerna på det yttersta skalet kallas valenselektroner. Underförstått är att atomerna i vanliga fall inte kan placera elektroner på ett högre skal om ett skal lägre ner är ännu inte fylld.

Alla grundämnen som inte finns i huvudgrupp 8 har en strävan efter att antingen avge elektroner för att tömma ett elektronskal helt, eller uppta elektroner för att fylla en skal helt. När de har gjort så, har de olika antal protoner och neutroner. Sådana atomer kallas joner.

Joner är alltså sådana en enskilda eller grupper av atomer som har en viss laddning. Den här laddningen - positiv eller negativ - dras till laddningar av motsatt sort och bildar då en bindning som kallas för jonbindning . Jonbindning är alltså en attraktion mellan två joner av olika laddningar. Detta gör att jonbindningen är förhållandevis svag. När joner av olika laddningar har bundits till varandra till följd av en attraktion, bildas jonföreningar.

I och med att jonerna kan antingen vara positivt eller negativt laddade, kan de dras de till varandra. När joner av olika laddningar har bundits till varandra till följd av en attraktion, bildas kemiska föreningar.

Så vägen från grundämne till kemisk förening kan beskrivas på detta sätt:

1. Två grundämnen vars yttersta elektronskal är ej fyllt hamnar nära varandra.
2. En eller flera elektroner från det atom som har minst antal elektroner i sitt yttersta skal dras till det andra atomens (som har fler elektroner i sitt yttersta skal) kärna.
3. Elektronerna från den ”lättare” atomen överförs till den ”tyngre”. Nu har två joner bildats.
4. I och med att jonerna nu är av olika laddningar, attraheras de till varandra. Denna attraktion kallas jonbindning och håller ihop den kemiska föreningen.

Jonföreningar kallas ibland salter. Med salter avses fasta ämnen och alla jonföreningar är inte alltid fasta ämnen. Ibland förekommer de i flytande form.
Ofta uppstår jonbindningar mellan metaller och ickemetaller. Orsaken till detta är att metaller har få valenselektroner – vilket är lättare att lämna bort, medan ickemetaller har många valenselektroner – varför de strävar efter att fylla sina skal. Man kan säga att metallerna har ett elektronöverskott, medans ickematallerna har elektronunderskott. Metallerna blir då ”elektrongivare” och ickemetallerna ”elektrontagare”.

Det finns en annan sorts bindning, nämligen elektronparbindning (kovalent bindning) då elektronerna delas mellan atomerna och inte övergår från en atom till en annan.

En molekyl består av två eller flera atomer. I en molekyl kan atomer av samma sort eller olika sort ingå. När grundämnen förekommer i naturen i ren form, gör de det i form av molekyler.

När man i kemiskt sammanhang skall beskriva kemiska föreningar använder man inte deras fulla namn för att beskriva reaktionen, eftersom det skulle bli alldeles för långt och svårt att överblicka. Man har alltså dels bestämt sig för att varje grundämne skall ges var sitt bokstav eller bokstavskombination, dels för att beteckna ett elektronpar med en enkel streck ( - ). I de fall atomerna delar fyra elektroner (två par) skrivs ett dubbelstreck ( = ). I dessa fall säger man att atomerna har en dubbelbindning. Det finns även molekyler med trippelbindning, då tre elektronpar delas mellan två atomer.
När man väljer att åskådliggöra kemiska föreningar och reaktioner och detta sätt, använder man strukturformel för att åskådliggöra strukturen.
En strukturformel kan se ut så här:

H – H

Om man däremot bara vill visa vilka grundämnen som ingår i strukturen kan man nöja sig med en molekylformel. I en molekylformel skriver man varje atom som ingår i den kemiska föreningen i fråga. Dessutom skall dessa skrivas ihop om de sitter i samma kemiska förening. Exempelvis så här:

HCl



I molekylformeln markeras också om det finns flera av en och samma atomsort. Detta markeras med en nedsänkt siffra efter det atom det finns fler av i föreningen. Exempelvis så här:

H2O



Om det skulle finnas en stor siffra framför molekylformeln, visar det att det är så många antal av hela molekylen som avses. Till exemplel uttrycker man ”tre vätekloridmolekyler” på följande sätt:

3 HCl


Viktigt att notera att varje grundämne börjar med en stor bokstav. Oavsett om grundämnet har en beteckning på två eller tre bokstäver, börjar den med stor bokstav. Så kan man hålla reda på vilka som är grundämnen i en kemisk förening om man bara ser molekylformeln. Ett exempel kan vara natriumklorid:

NaCl



Som det framgår av formeln, består föreningen av två grundämnen; Na och Cl.

Joner markeras genom att man skriver ut deras laddningar i molekylformeln. Exempelvis:

Na+
(natriumjon)



Eftersom joner inte bara är joner av enstaka atomer utan även av flera atomer kan de även se ut så här:

NO3-
(nitratjon)

Viktiga grundämnen som ingår i många olika molekyler är följande:

Dessa bör man kunna placera i det periodiska systemet.

Vissa molekyler har en positiv eller negativ pol. Vatten är en sådan molekyl. Den stora syreatomen har en större dragningskraft på elektronerna än väteatomerna som är positivt laddade. Vatten är också osymmetrisk och laddningarna tar inte ut varandra. Osymetrin uppstår av att de av syreatomens elektroner som inte ingår i bindningarna mellan väte och syre, stöter bort av dessa. Därför trycks väteatomerna ihop så. Sådana molekyler som av dessa anledningar har positiva och negativa ändor kallas dipoler. Viktigt att notera att detta inte uppträder hos symmetriska atomer. Symmetri rätar ut en molekyl och gör att den inte kan ha två poler av motsatt laddning.
En sådan symmetrisk molekyl är t.ex. koldioxid. Koldioxiden håller var sitt syreatom till sig med två elektronparbindningar; den delar alltså två par (4st) elektroner med var sitt syreatom. Därför har kolet inga som helst fria elektroner (som ej deltar i bindningen) och polerna blir bara på syreatomerna. Eftersom bägge dessa poler är negativa, är koldioxid inte en dipol.
De olika ändorna hos dipolen attraheras till varandra. På så sätt håller dipolmolekylerna ihop.

Väteatomen med sin enda elektron har en väldigt stor strävan att avge elektroner. Atomer som fluor, syre och kväve har stor förmåga att dra till sig elektroner. Därför kan en så kallad vätebindning mellan dessa atomer och väteatomer uppstå.

All materia kan förekomma i tre former: fast, flytande och gas. Vilken form de förekommer i bestäms dels av materians temperatur, dels av vilken tryck den utsätts för. Normalt kan sägas att att ju högre tryck man utövar på ett materia, desto högre temperatur krävs för fasövergången. Om vi nu t.ex. tar vatten, den har en smältpunkt på 0oC (då den ädrar form från fast till flytande), en kokpunkt på 100 oC (då den går över från flytande till gasform). Dessa förhållanden gäller dock endast vid 1 atmosfärtryck, det vill säga vid havsnivån. På höga höjder kan vatten koka vid redan 89 oC! Omvänt gäller också att vid stor tryck kan vatten vara flytande i temperaturer som 500 oC! Detta är fallet i bl.a. kärnkraftsreaktorer.

Alla molekyler rör sig ständigt. Detta är även fallet i ett fast ämne. Här hålls molekylerna förvisso på sin plats av bindningar, men de vibrerar. När ämnet sedan övergår till flytande fas (då man har investerat energi i den) blir dessa bindningar lösare och molekylerna får mer svängrum. När materian övergår till gasform, bruts bindningarna molekylerna emellan och molekylerna kan röra sig helt fritt. Det är det som är orsaken till att molekyler i gasform kan sprida sig så mycket i ett utrymme.

I saltvatten hålls natrium och klor i jonform eftersom jonerna med de olika laddningarna drar vattenmolekylernas olika poler till sig. Så sätt hindras natriumjoner från att dras till kloridjoner.

Syror och baser För att inte skriva om det alltför mycket kan man sammanfatta syror och baser enklast som så:
Med vätejonen i sammanhanget menas oxoniumjonen, som bildas vid reaktioner som till exempel när väteklorid blandas med vatten:

HCl + H2O → Cl- + H3O+

I reaktionen finns formeln för oxoniumjonen; H3O+. Oxoniumjonen är alltså molekyl bestående av en vallenmolekyl, H2O, och en vätejon, H+. Eftersom vatten är inert (reagerar inte), använder man i beskrivningar om syror och baser bara vätejonen, H+.

Baser innehåller inte vätejoner på samma sätt som syror. Förvisso innehåller alla baser väteatomer, men dessa är bundna i en komplex jon som kallas hydroxidjonen (OH-). I och med hydroxidjonen är envärt negativ, är det enklare för den att ta upp en H+ än att avge en och på detta sätt bli ännu mera negativ (därmed mera instabil). Basens hydroxidjon kommer att reagera med syrans vätejon (H+), genom följande reaktion:

H+ + OH- → H2O

Den här reaktionen kallas för neutralisation.

Olika syror är olika starka. Hur starka de är beror först och främst på hur många vätejoner de kan avge. Saltsyra (HCl) kan bara avge en vätejon. Salpetersyra (HNO3) likaså. Men svavelsyra (H2SO4) kan avge två vätejoner och är därmed en starkare syra än både saltsyra och svavelsyra. En ännu starkare syra är fosforsyran (H3PO4), som kan avge hela tre vätejoner.

En stark bas är bland annat natriumhydroxid (NaOH), som har förmågan att ta upp en vätejon. Här gäller samma sak som för syrorna, fast omvänt; ju fler vätejoner basen kan ta upp, desto starkare bas.

En syras eller en bas’ styrka mäts annars med den så kallade pH – skalan. Det är en 14 – gradig skala, där pH 7 är neutralt, allt under pH 7 är surt och allt över är basiskt.

För att få en uppfattning av pH – värdet använder man indikatorer. Dessa kan vara av olika slag, antingen sådana som ger exakta värden, som pH – sticka, eller – för att bara få en indikation om huruvida provet man undersöker är surt, basiskt eller neutralt – BTB (bromtymolblått). BTB ger bara svar om ett enda exakt pH – värde, nämligen pH 7.

Organisk kemi

I början av 1800 – talet delade man in materia i levande och icke levande materia. Man antog också att det skulle finnas ett livsämne, något som skulle göra död materia levande. Den materia som ingick i ”död materia” betecknades som oorganisk och det som ingick i ”levande materia” kallades organisk. Den här indelningen lever kvar delvis än i dag. Man ansåg också att dessa två grupper var väl avskiljda, man kunde inte tillverka oganiska ämnen ur oorganiska.

Den här uppfattningen kom att kullkastas på 1820 – talet, när en forskare framställde urinämne (urea) på syntetiskt väg.

Man har nu kommit fram till att alla levande organismer innehåller grundämnet kol. Därför handlar organisk kemi om kolföreningar.

En kolatom har fyra elektroner ni sitt yttersta skal. Detta innebär i teorin att atomen har lika lätt att avge som ta upp elektroner i sitt yttersta skal. Detta till trots tar kolatomen upp elektroner. Eftersom kolatomen skall ta upp fyra elektroner, reagerar den gärna med flera olika atomer. En sådan vanlig konstellation när kolet har reagerat med fyra väteatomer och har bildat en metanmolekyl, CH4. Sådana molekyler kan naturligtvis innehålla flera kolatomer. I så fall ökar även väteatomernas antal. Etan innehåller två kolatomer och sex väteatomer; C2H6. Eftersom det föreligger en proportionallitet mellan antalet kolatomer och väteatomer, kan man beskriva metanserien med sambandet CxH2x+2, där x är ett helt tal (t.ex. 1, 2, 3 osv.).

Länkar

Tillbaka till huvudsidan
Naturkunskap A
Biologi A
Biologi B

Email: laszlo.pongo@spray.se