Uppgifter
6.1
6.3
6.6
6.12
6.14
6.17
6.21
6.26
Demonstration
Upphettning av silveroxid
     
 

 

 
 

Vad säger kursplanen?

  • kunna beskriva hur modeller för olika typer av kemisk bindning bygger på atomernas elektronstruktur och kunna relatera ämnets egenskaper till bindningens typ och styrka samt till ämnets uppbyggnad
  • kunna tolka, skriva och använda sig av formler för kemiska föreningar och reaktioner och därvid föra stökiometriska resonemang samt utföra enkla beräkningar


  I det förra kapitlet inledde vi de kemiska beräkningarna men begränsade oss då till olika kemiska föreningar. Nu tillförs ytterligare en komponent - reaktionsformeln. Efter kapitlet kommer du ha lärt dig att beräkna substansmängderna och massorna av de ämnen som förbrukas eller bildas vid en kemisk reaktion. Du kommer då t ex att kunna förutsäga vilken massa av reaktanterna du måste utgå från för att få fram en viss mängd produkt. Resonemanget bygger på begreppet substansmängd från kapitel 5, så se till att det är glasklart. Här gäller det att räkna flitigt för att nöta in arbetsgången. De flesta uppgifter följer ett visst mönster, och utifrån det som beskrivs i boken kommer du säkert fram till det sätt att arbeta och resonera som passar dig bäst.  
     

sida:


83, 84

Molekylföreningar bildas

Vi studerar reaktionen mellan de tvåatomiga molekylerna av väte och syre, som vid antänding och i rätt blandning bildar vatten under en kraftig smäll - därav namnet knallgas.
Först tar vi en titt på reaktionen, illustrerad med kalottmodellen.

Lägg märke till att två vätemolekyler reagerar med en syremolekyl, och bildar två vattenmolekyler. Summan av antalet atomer av de olika slagen är lika på vänster och höger sida om pilen. Ingen massa har försvunnit - det har endast bildats en ny kemisk förening. Det vatten som bildas har samma massa som vätet och syret tillsammans. Detta att massan bevaras i en kemisk reaktion var - som vi nämnde i kapitel 2 - en av Daltons grundteser. Tyvärr är ovanstående modell lite knepig att överföra till papper. Vi får nöja oss med ett enklare skrivsätt, men ha hela tiden kalottmodellen i minnet så kommer du nog att hänga med. Istället beskriver vi reaktionen med hjälp av atomernas kemiska tecken, vilket vi ju tittade på i kapitel 1. Och när vi vill tala om att det går åt fler än en molekyl av ett visst slag, sätter vi ut lämplig koefficient framför molekylen.

(koefficienten 1 skrivs i fortsättningen inte ut).
Reaktionsformeln talar som sagt om att två vätemolekyler reagerar med en syremolekyl och bildar två molekyler vatten. Men formeln anger också förhållandet mellan antalet molekyler av de ingående ämnena. Vi kan därför tolka den som att, t ex, 20 vätemolekyler reagerar med 10 syremolekyler och bildar 20 vattenmolekyler.

Eller som att 2 6,021023 vätemolekyler reagerar med 6,021023 syremolekyler och bildar 2 6,021023 vattenmolekyler. Eftersom 1 mol av ett ämne består av 6,021023 molekyler säger oss formeln också att 2 mol väte och 1 mol syre bildar 2 mol vatten.

 

I boken kan du se en sammanställning som visar förhållandet mellan massorna av de ämnen som ingår i reaktionen. Därefter följer arbetsgången för att balansera en reaktionsformel (metans reaktion med syre) så att förhållandet blir rätt - också exempel 6.2 visar detta på ett fint sätt. Låt oss titta på ett par uppgifter för att ytterligare befästa dessa kunskaper.

Uppgift 6.1

a) Hm, Sb har vi inte träffat på tidigare. Fram med tabellsamlingens Grundämnestabell som talar om att det är .
Vi har nyligen konstaterat att summan av antalet atomer av de olika slagen ska vara lika till vänster och höger i balanserad reaktionsformel. Som det nu ser ut finns en atom Sb till vänster och två till höger, och två syreatomer till vänster och tre till höger. I högsta grad är reaktionsformeln ofullständig. Den är inte balanserad.

För att balansera reaktionsformeln kan vi t ex börja med att sätta koefficienten 2 framför Sb. Då stämmer antalet antimonatomer. Syret felar dock fortfarande. Om vi sätter 1,5 framför Oc på vänster sida så stämmer syreatomerna. Men det finns ju inga halva molekyler, så därför multiplicerar vi överallt med faktor två för att få minsta möjliga heltal.

c) Etan reagerar med syre till koldioxid och vatten. Vi följer samma procedur som i a, och börjar lämpligen med att sätta ut koefficienten framför koldioxidmolekylen. Räknar därefter vätet och ser att det finns till vänster. Vi behöver därför sätta koefficienten framför vattenmolekylen. Av syret finns det två atomer till vänster och sju till höger. Vi sätter koefficienten till för att det ska bli lika på vänster och höger sida. Men nu är vi i samma sits som i a och för minsta möjliga heltal i formeln multiplicerar vi med .


Uppgift 6.3

Nu är det upp till oss att visa vår duglighet i formelskrivning, och de ledtrådar som ges är reaktanterna och produkterna. Formeln för rörsocker har författarna varit vänliga nog att skicka med, medan vi förväntas kunna de övriga föreningarna nu. Vi börjar med att teckna formeln utifrån de givna uppgifterna. Kom ihåg att sätta ut tvärstrecket på pilen som talar om att formeln är ofullständig. När du är klar bör det se ut så här:

Först kan vi, t ex, sätta ut koefficienterna så att antalet kolatomer stämmer - 12 atomer till vänster medför koefficienten framför koldioxidmolekylen. Det finns 22 väteatomer i rörsockermolekylen, men endast två väteatomer i vattenmolekylen, som står till höger om pilen. Vi justerar detta genom att sätta koefficienten framför vattenmolekylen. Nu bör du ha kommit så här långt:

Kvar att justera är antalet syremolekyler, och nu blir det en smula knepigare. Låt oss först räkna efter atomantalet till vänster respektive höger . Detta visar ett överskott på i och vi lägger därför till i . Syremolekylen är tvåatomig så därför adderar vi syremolekyler till den syremolekyl som redan står i vänstra ledet, vilket slutligen ger oss koefficienten .
Nu är formeln balanserad och vi kan lyfta tvärstrecket från pilen:

 





87


85

88

95


Jonföreningar bildas

Så gör vi ett hopp fram i boken. Men gå först gärna tillbaka till reaktionen mellan natrium och klor i kap 5. Notera att det bildas kristaller, som består av joner, och inte en förening med avgränsade molekyler. Trots det kan vi behandla reaktioner där det ingår jonföreningar och molekylföreningar på samma sätt. Men istället för att tala om atomer, molekyler och joner använder vi begreppet formelenheter. Studera avsnittet mitt på s 87, och häng därefter med i följande uppgift som vi löser tillsammans.

Uppgift 6.6

Innan vi tar itu med problemet, stannar vi vid ett ord som nämns - legering. Denna fasta metalllösning har ofta större styrka och hårdhet än metallerna var för sig, som då kan vara för mjuka för att kunna användas i t ex flygplanskonstruktioner. I uppgiften är en av de i legeringen ingående metallerna magnesium.

Vi ska nu försöka oss på reaktionsformeln för förloppet.
Vi börjar med att teckna ner våra reaktanter och produkter på rätt sida om reaktionspilen som förstås är försedd med ett streck. Magnesium har den kemiska beteckningen och i det periodiska systemet ser vi att den hör hemma i grupp . Vattens molekylformel känner vi till vid det här laget och förmodligen också formeln för den första produkten, vätgas. Men magnesiumoxid är en ny bekantskap. Ändelsen oxid kommer av franskans oxygéne som betyder syre. Ämnet är således en förening av magnesium och syre - en metall plus en ickemetall. Och det är en förening, bestående av . Titta gärna under rubriken Några oorganiska föreningar i tabellsamlingen, där du hittar den tillsammans med en rad andra jonföreningar.

Nu när våra ämnen är identifierade kan vi skriva upp formlerna för alla reaktanter och produkter på var sin sida om reaktionspilen. Glöm inte tvärstrecket!

Därefter räknar vi antalet partiklar av olika slag till vänster och höger sida om pilen. Det finns en magnesiumpartikel på vardera sidan (atom respektive jon). Vi har två väteatomer och en syreatom på varje sida. Minsann, vi behöver inte justera några koefficienter utan kan lyfta tvärstrecket och svara med den reaktionsformel som vi först kom fram till.

Så återvänder vi ett stycke i boken till den verkliga stötestenen, när det gäller kemiska beräkningar, nämligen begreppen ekvivalenta substansmängder (eller massor) och substansmängdförhållande. Bara namnen låter ju krångligt - varför väljer man sådana namn? Översatt till vanlig svenska så handlar det om förhållandet (kvoten) mellan substansmängderna av de ämnen som deltar i en kemisk reaktion. Ibland säger man att de ekvivalenta substansmängderna eller massorna "svarar upp" mot varandra eller "går jämt upp" i en kemisk reaktion.

I reaktionen ovan så svarar t ex 1 mol syrgas mot 2 mol vatten. Man säger att "1 mol syrgas är ekvivalent med 2 mol vatten". Och eftersom det beskriver ett förhållande kan vi också säga att 10 mol syrgas är ekvivalent med 20 mol vatten.
Men vilken nytta har vi då av detta resonemang? Jo, härur kan vi t ex beräkna den massa av en viss produkt som vi kan förvänta oss att få om vi utgår från en viss mängd/massa reaktant.

Om reaktanten är en dyr kemikalie kan du, med den här kunskapen, använda endast den mängd som krävs för att framställa produkten - inget spill helt enkelt! Man kan också tänka sig att tillsätta ett överskott av de övriga reaktanterna för att vara säker på att all dyrkemikalie förbrukas. Överskott kan illustreras med enkel vardaglig modell:
Det spelar ingen roll hur många hjulpar vi har, vi får ändå bara ihop en komplett cykel så länge som vi endast äger en ram. Ett hjulpar är ekvivalent med en cykelram.

Låt oss titta på en uppgift.

Uppgift 6.12

Här utgår vi från reaktanten glukos som med hjälp av jästsvampar (Saccaraomyces) omvandlas till alkohol och koldioxid. Denna reaktion äger rum när man bakar bröd. Det är gasen koldioxid som får brödet att svälla och bli poröst. Alkoholen förgasas under gräddningen.

Eftersom reaktionsformlernas koefficienter endast beskriver förhållandet mellan substansmängderna av de ämnen som deltar i reaktionen måste vi först "omvandla" den angivna massan glukos till substansmängd glukos.

n(C6H12O6) = m / M =
1,0010
3 g / (612,011 + 121,008 + 615,99) g/mol = 5,552 mol

I formeln ser vi att 1 mol glukos är ekvivalent med 2 mol etanol. Vi kan då också säga att :

15,552 mol glukos 25,552 mol etanol

Nu har vi fått fram den substansmängd etanol som kan bildas. Då återstår att beräkna massan.

m(C2H5OH) = n M =
2
5,552 mol (212,011 + 51,008 + 15,99 + 1,008) g/mol =

Svar:

Som repetition kan det nu vara lämpligt att du går igenom exemplen 6.1 och 6.2.
Därefter löser vi en uppgift tillsammans där vi träffar på problemet att reaktanterna inte finns i ekvivalenta substansmängder. Någon reaktant finns alltså i överskott eller underskott.

Uppgift 6.14*




Utifrån den givna reaktionsformeln ska vi diskutera substansmängdsförhållande. Om vi inleder med att titta på reaktanterna ser vi att 1 mol CaCN2 svarar mot 3 mol H2O. Men vi har bara tillgång til 1 mol H2O så när 1/3 mol CaCN2 är förbrukat är vattnet slut. CaCN2 finns alltså i överskott.

Hur mycket ammoniak hann då bildas innan vattnet tog slut? Jo, 1/3 mol CaCN2 ger 2 gånger så mycket NH3, d v s 1/32 = 2/3 mol NH3.

Svar:


Lösningars halt

Boken tar upp tre olika sätt att ange en lösnings halt:
masshalt som massa per volymsenhet
, masshalt i procent och koncentration ("molaritet"). I kemiska sammanhang är koncentration vanligast och därför riktar vi huvudintresset dit.

Lösningens halt, "styrka", beror på hur många partiklar av det lösta ämnet som finns per volymsenhet lösning. Hur många gröna partiklar finns per volymsenhet i följande figur om vattnet i bägaren har volymen 1 dm3?

Ja, det var kanske inte så svårt. Men om vi halverar volymen vatten som vi löser de fem partiklarna i, vilket blir svaret då?

, eftersom 5 partiklar / 0,5 dm3 = 10 partiklar/dm3. Vi har således fördubblat lösningens koncentration

 

Men vi kan också
nå till 10 partiklar/dm3 genom att fördubbla partikelantalet:

Vi tittar på en övningsuppgift för att tillämpa våra nya kunskaper.

Uppgift 6.17

För att få bättre struktur på problemet kan det vara bra att rita en figur.
a) Börja med att beräkna substansmängden löst ämne genom att tillämpa de kunskaper du inhämtade i kapitel 5.


n(CaCl2) = m / M = 42,5 g / (40,1 + 2
35,5) g/mol = 0,382538 mol

Vi väntar förstås med avrundningar, spara värdet i något av räknedosans minnen. Koncentrationen kan du sedan beräkna genom att


0,382538 mol / 0,200 dm3 = 1,91269 mol/dm
3


b) När vi löser CaCl2 i vattnet händer följande:

vi får därmed

[Ca2+] = 1,91269 mol/dm3
[2Cl-] = 21,91269 mol/dm3

Svar: a) b)

   

Detta ger oss sammanfattningsvis ett nytt viktigt samband. Det säger oss att koncentrationen kan varieras genom att vi ändrar substansmängden och/eller volymen. Volymen anges oftast i enheten 1 dm3, och koncentrationen får då enheten 1 mol/dm3. Denna enhet betecknades tidigare flitigt M, men av lätt insedda skäl är också detta val av enhetsbeteckning hyfsat olyckligt eftersom M betecknar molmassan! Så vi lägger koncentrationsbeteckningen M på en dammigare plats i minnet. Men du bör känna till beteckningen eftersom den kan finnas kvar på flaskor i laboratorier och i äldre litteratur.

Eventuellt kan du i koncentrationsberäkningar vara hjälpt av att ställa upp sambandet i en triangel, där du får veta om du ska multiplicera eller dividera genom att hålla för den storhet du söker.

Öva nu praktiskt på detta avsnitt, t ex med laborationer där det ingår att bereda lösningar med på förhand bestämda koncentrationer av olika ämnen. Lägg särskilt märke till de volymsförändringar som sker. Vänta alltid med att fylla på vätska upp till märket tills det fasta ämnet lösts helt och hållet, så som de vackra figurerna 6.5 och 6.6 visar.

Uppgift 6.21

I laboratoriearbete ställs man ofta inför uppgiften att späda olika lösningar. Här ska vi göra en NaOH lösning svagare. Den ursprungliga lösningen innehåller substansmängden NaOH:

n(NaOH) = V
c = 0,025 dm31,00 mol/dm3 = 0,025 mol

Den nya lösningen får då koncentrationen

c(NaOH) = n / V =
0,025 mol / 0,500 dm3 = 0,050 mol/dm3

På flasketiketten skriver vi


Utfällningsreaktioner

I kapitel 4 såg vi att jonföreningen NaCl (vanligt koksalt) går utmärkt att lösa i vatten, d v s det fasta ämnet, bestående av kristaller, löses och jonerna blir fria från varandra. Alla jonföreningar löser sig inte lika lätt i vatten som NaCl, utan här finns en stor variation.

Det kan också vara bra att lära sig hur man känner igen vissa jonslag. Man kan t ex använda silverjoner som reagens på kloridjoner. Om man blandar lösningar av de båda jonslagen, så som bilden visar, bildas en vit fällning. Bariumjoner kan identifieras i en lösning genom tillsats av sulfatjoner - också här bildas en vit fällning. Tyvärr är det många andra joner som ger vita fällningar men detta ger oss åtminstone en ledtråd. Ibland vet man kanske på förhand något om sitt prov och kan därigenom utesluta vissa ämnen.

Vi använder förstås de vanliga beteckningarna när vi vill ange jonföreningarnas tillstånd . Observera att det är vanligt att man i reaktionsformeln utesluter de joner som inte deltar i reaktionen, s k åskådarjoner. Reaktionen blir därmed mer överskådlig.

Mer om joner blir det i nästa kapitel som tar upp syror och baser. Men först en avslutande uppgift.

Uppgift 6.26

Här kommer så en utfällningsreaktion där vi ska ta reda på vilken koncentraion en lösning av kaliumklorid har. Vi gör det genom att tillsätta silvernitrat som "tar hand" om kloridjonerna.


Om laboranten gjort ett bra jobb med fällningen kan vi utgå från att den innehåller ren AgCl. Om vi först tar reda på vilken substansmängd 3,73 g AgCl motsvarar så kan vi strax beräkna den sökta massan KCl:

n(AgCl) = m / M = 3,73 g / (107,9 + 35,453) g/mol = 0,02602 mol

Vi ser att 1 mol AgCl
1 mol KCl så


m(KCl) = n M = 0,02602 mol (39,102 + 35,453) g/mol = 1,9399 g

Svar:


Ytterligare hjälp med stökiometrin finns i och med den här trevliga simuleringen där du bestämmer utgångshalterna

Ibland stöter man på konstiga enheter, eller så sätter latheten in, då kan detta hjälpa