Kemins grunder Den vetenskapliga metoden

En presentation över ämnet: "Kemins grunder Den vetenskapliga metoden"— Presentationens avskrift:

1 Kemins grunder Den vetenskapliga metoden
Observation Hypotes Experiment Naturlag Teori Naturlag: ett uttalande som uttrycker ett allmänt observerat beteende. Ex. tyngdlagen Teori: en förklaring av observationerna. Energin och massan är konstant. Men nu vet vi med kärnreaktionen att det är E+m·c2= konstant

2 SI-enheter Mätetal Storhet/enhet
(Book of Data Kap I.5) Mätetal Storhet/enhet Längd l/m (1 dm = 10-2 m, 1 Å = m) Massa m/kg (1 g = 10-3 kg) Tid t/s (1 min = 60 s) Temperatur T/K (T(K) = T(°C) + 273,15) Mängd n/mol Strömstyrka I/A

3 Signifikanta siffror Hur många signifikanta siffror finns det i:
2 0,02 0, , ,01·10-10? Svar:1,1,3,5 och 3 Addition och subtraktion: 0,02 + 0, , , , ,9 = 0,4 Notera att noggrannheten ofta blir låg vid subtraktion Multiplikation och division: 2·314,23 = 628,46 2,00·314,23 = 628 Ett par specialfall: Temperaturer som +10ºC, 0 ºC osv har 3 (!) signifikanta siffror, eftersom de egentligen är 283K, 273K osv. Av liknande anledning är 1 atm 2 signifikanta siffror, eftersom lufttrycket normalt ligger inom 740 – 780 mm Hg. Felet ligger alltid i den sista siffran.

4 Medelvärde och standardavvikelse
n försök : x1 x2 x xn medelvärde standardavvikelse

5 Ex. Bestäm volymen av en vollpipett: ~20 cm3. Fem försök gav 20,1cm ,4cm ,5cm ,2cm ,8cm3 Volymen = 20,4cm3±0.3cm3

6 Osäkerhet i mätningar Snabbvåg ±(0.1 - 0.001) g Analysvåg ±0.0001 g
Mätglas (50cm3) ±0,2cm3 Mätkolv (50cm3) ±0,05cm3

7 Massa (g) ___________ Densitet = Volym (cm3) V1 V2
Ex. Bestäm densiteten av en okänd legering: m = 23,06 g ± 0,02 g V1 = 10,40cm3±0,05cm3 V2 = 13,50cm3±0,05cm3 V1 V2 Max. densiteten, Min. densiteten, Eller D = (7,44±0,24)g/cm (7,4±0,3)g/cm3 Vilken av följande legeringar har vi i vårt prov? A) D = 7,58g/cm3 B) D = 7,429g/cm3 eller C) D = 8,56g/cm3

8 Atomer, molekyler och joner
Daltons atomteori • Kemiska ämnen består av atomer • Kemiska föreningar består av bestämda relativa antal och typer av atomer men... Alla atomer består av neutroner (n), protoner (p) och elektroner (e). Kärnan består av neutroner (laddning 0) och protoner (+). Elektronerna är kemin. Hur kan då atomslagen vara så olika? Isotoper: samma antal protoner samma antal e samma kemi men olika antal neutroner olika massor Masstal X A Z Atomnummer Na 23 11 24

9 Kemiska föreningar Atomerna hålls ihop av kemiska bindningar.
Om flera atomer delar på elektroner bildas en molekyl; kovalent bindning. Kemisk formel: H2O NH3 CO2 Strukturformel: H-O-H H-N H O=C=O O H N H 3D struktur: O=C=O H Empirisk formel: CH (C6H6) P(P4)

10 Olika strukturmodeller
22:2 Olika strukturmodeller Ball-and-stick: Space-filling: Jonbindning Cl- Cl- Na+ Cl- Na+ Na+ - Anjon + Katjon Cl- Cl- - ett salt Na+ Jonbindning och kovalent bindning kan mycket väl finnas i samma förening, t.ex. proteiner, NH4Cl.

11 Dimitri Ivanovich Mendelev 1872 (1834-1907)
Periodiska systemet Dimitri Ivanovich Mendelev 1872 ( ) De allra flesta grundämnen är metaller, men de biologiskt viktigaste (C H N O samt S och P) är icke-metaller. Men+ O2- F- Cl- Katjoner Anjoner Alla metaller (Me) är + Icke-metallerna binder kovalent.

12 Nomenklatur = namngivning
Symbol masstal laddning atomnummer antal peroxidjon Oxidationstal • Oxidationstal för en atom i ett rent grundämne alltid noll O2: O(0) Na: Na(0) • Enatomiga joner = laddningen O2-: O(-II) Na+: Na (l) • Kemiska föreningar: O är i allmänhet –II (undantag ) H är i allmänhet I (undantag hydrider –I) • Summan av alla individuella atomers oxidationstal = laddningen

13 Systematiska namn Salt: NaCl
+ - Natrium Klorid (jfr oxid hydrid) Övergångsmetaller kan ha olika oxidationstal: Ex Fe2+ Fe3+ FeCl2: järn(ll)klorid FeCl3: järn(lll)klorid Hg22+: kvicksilver(l) ferrous ferric på eng. NH4+ ammonium ClO- hypoklorit ClO2- klorit ClO3- klorat ClO4- perklorat NO2- nitrit SO32- sulfit NO3- nitrat SO42- sulfat (S2- sulfid) Flertomiga anjoner: CrO kromat MnO4- permanganat Cr2O72- dikromat C2H3O2- acetat skrivs hellre CH3COO - Kovalenta föreningar: N2O dikväveoxid NO Kväveoxid NO2 Kvävedioxid N2O5 dikvävepentoxid men H2O vatten NH3 ammoniak

14 _______________________
Stökiometri Atomär massenhet Atommassor är relativt 12C massan 12C = amu Mol En mol = antalet kolatomer i exakt 12 gram rent 12C = 6,022 · 1023 = Avogadros tal Det finns lika många atomer i ett sandkorn som det finns sandkorn i Sahara. Molmassa Vilken molmassa har metan, CH4? Svar: Massan av 1 mol C = 12,011 g + 4 mol H = 4x1,008 g _______________________ = 1 mol CH4 = 16,043 g

15 Procentuell sammansättning
Beräkna massprocenten av C, H och O i etanol: C2H5OH Massan av C = 2·12,011g/mol = 24,022g/mol H = 6·1,008g/mol = 6,048g/mol O = 1·15,999g/mol = 15,999g/mol C2H5OH = 24, , ,999 = 46,099 g/mol Massprocenten

16 Kontrollera svaret! Summan måste bli 100%. Blir den det? 52,144 13,13
__________ 52,144 13,13 + 34,728 100,002 avrunda 100,00 rätt inom siffernoggrannheten

17 Hur får man fram ett ämnes kemiska formel?
Väg hela provet, sönderdela provet och väg varje grundämne för sig. I praktiken görs ofta en förbränning, så C mäts ofta i en form av CO2, H som H2O. Ex. En förening som bara innehåller C, H och N förbränndes. 0,1156g prov ,1638g CO2 0,1676g H2O

18 Vilken empirisk formel har föreningen?
Massan Resten måste vara N; Procentuella andelar:

19 ... Men vi vill ha antalet atomer C, H, N i ämnet
Antag 100g prov: I 100 gram har vi 38,67g C 16,23g H 45,10g N Antal mol: Relativa heltal: C1H5N1 CH5N empirisk formel Molekylen kan vara CH5N (CH5N)n eller C2H10N2 t.ex. från masspektra Molekylens formel: _____________________ Molmassan __________ 62,1g/mol n = = = 2,00 Empiriska formelns massa 31,058g/mol 2·(CH5N) = C2H10N2

20 Kemiska reaktioner Skriv reaktionsformel och balansera.
Balansera den mest komplicerade molekylen. Kontrollera att det finns lika många atomer av varje slag på vänstra och högra sidan. Ex. C2H5OH (l) + O2(g) CO2(g) + H2O(g)

21 Beräkna förhållandet mellan reagerande mängder och massor
1C2H5OH(l) + 3O2(g) 2CO2(g) + 3H2O(g) Hur mycket syre reagerar med 98,2g etanol? Begränsande ämnen 25kg kväve och 5 kilo väte reagerar. Ammoniak bildas, men hur mycket?

22 Kemiska reaktioner och stökiometri i lösning
Vatten är det viktigaste lösningsmedlet  H H + 2- O Vattenmolekylen är polär Partiella laddningar  Jonföreningar löses i vatten: Även oladdade molekyler kan lösas i vatten t.ex etanol. De har då som regel ett visst dipolmoment: H - Lika löser lika Svante Arrhenius föreslog (1883) att elektrisk ledningsförmåga (konduktivitet) i lösningar berodde på att där fanns joner.

23 3 starka elektrolyter: lösliga salter, starka syror, starka baser.
Arrhenius var först med att föreslå att en syra är ett ämne som avger H+ när det löses i vatten. Starka syror (HCl, HNO3, H2SO4) är till >99% dissocierade i vatten. (H2SO4 dock bara till HSO4- och H+) Starka baser (NaOH, KOH) är till >99% dissocierade till OH- och Me+.

24 Svaga elektrolyter: bara några enstaka % är dissocierad.
Ex. Ättiksyra är en svag syra CH3COOH CH3COO- + H+ 99% % En svag bas är NH3: NH3(aq) + H2O(l) NH4+(aq) + OH-(aq) 99% % Skilj på: stark  koncentrerad svag  utspädd

25 Icke-elektrolyter ger inga joner alls.
Ex. Etanol C2H5OH och sukros C12H22O11. Kemiska reaktioner i lösning: Kvalitativt: Vad händer? Kvantitativt: Hur mycket?

26 Lösningarnas koncentration: (halt)
Antal mol löst ämne Molaritet = __________________ liter lösning M = n mol V liter _______ 1 liter = 1dm3 = 1000cm3 massprocent = Antal gram löst ämne gram lösning ___________________ · 100% g löst ämne g löst ämne g lösning ____________ ___________ mL lösning = ppm = · 10+6 DH2O = 1g/mL ng löst ämne g lösning ppb = ____________ = g löst ämne mL lösning · 10+9

27 Spädning Antal mol är detsamma före och efter spädning: M1·V1= M2·V2
Xml · 10,0M = 500ml · 1,00M före efter Stamlösningen (The stock solution) Stamlösning = stock solution men Standardlösning = standard solution = lösning med noga känd koncentration.

28 Hur tillverkar man 1.00 l 0.50 M H2SO4 från koncentrerad H2SO4 (18 M)?
18M·Vkonc.H2SO4 = 0,50M·1,00L 0,50M·1,00L 18M Vkonc.H2SO4 = _______________ = 0,02778L = 0,028L = 0,02778L· ___________ 1000mL 1L = 28mL OBS! Syra sätts till vatten.

29 Kemiska reaktioner i lösning
 Utfällningar  Syra-bas  Redox Utfällningar: Kom ihåg: -NO3- och Na+, Li+, Cs+, Rb+, NH salter är alltid lättlösliga. (Z: Tabell 4.1) Lär några svårlösliga utantill: AgCl, BaSO4... Alla fällningar och gaser har nettoladdning noll. Alla laddade är (aq). Några få oladdade är (aq): NH3, H2O2

30 3 typer av reaktionsformler
Molekylformel: 3BaCl2(aq) + Fe2(SO4)3(aq) 3BaSO4(s) + 2FeCl3(aq) Fullständig jonformel: 3Ba2+(aq) + 6Cl-(aq) + 2Fe3+(aq) + 3SO42-(aq) 3BaSO4(s) + 6Cl-(aq) Nettoformel: Ba2+(aq) + SO42-(aq) BaSO4(s) Om 100,0mL 0,100M BaCl2 blandas med 100,0mL 0,100M Fe2(SO4)3, hur många gram BaSO4 kan man få?

31 Syra-bas reaktioner Starka syror + starka baser:
H+(aq) + OH-(aq) H2O(l) Svaga syror + starka baser: CH3COOH(aq) + OH-(aq) H2O(l) + CH3COO-(aq)

32 Syra-bas titrering Titrand bas
Prov syra Syra-bas titrering Via ett byrett tillsättes en noggrannt avläst volym titrand. Den punkt där all syra eller bas i provet neutraliserats med titranden kallas ekvivalenspunkten. Indikator: ett ämne som ändrar färg vid ett bestämt pH. Ex. Fenolftalein som används när syror titreras med OH-. HCl: 75ml med halten 0,25M ml Ba(OH)2 med halten 0,055M Vad blir H+ (eller OH-)-halten?

33 Redoxreaktioner Reduktion+Oxidation
En eller flera elektroner förs från en atom till en annan. 2e- Fe(s)+Cu2+(aq) Fe2+(aq)+Cu(s) OBS! Inga elektroner kan försvinna! Förbränningsreaktioner (inkl. biologiska) är oftast redox-reaktioner Ex. CH4(g)+2O2(g) CO2(g)+2H2O(g)

34 Oxidation: oxidationstalet ökas
Ex. Cl Cl OCl ClO2- ClO ClO4- Ox.tal för Cl +5 +4 +3 +2 +1 -1 -2 -3 -4 -5 Ibland är ox.talet inte heltal. Ex. Fe3O4 magnetit Tänk på en termometer: när temperaturen går från 0 till minus då reduceras den Oxidation: oxidationstalet ökas reduktion: ox-talet reduceras De tre vanligaste oxidationsmedlen: K2Cr2O7 , KMnO4 , Ce(HSO4)4

35 Balansera redoxformlel
Metod 1: 3MnO2 (s) + 4Al (s) Mn (s) + 2Al2O3 (s) Metod 2: Halvreaktioner Reduktion: 3·(MnO2(s) + 4e Mn(s) + 2O2-) 2. Oxidation: 2·(2Al(s) Al2O3(s) + 6e-) 3. Balansera atomer och e- för varje halvreaktion a) Balansera alla atomer utom H och O. b) Balansera O med H2O. c) Balansera H med H+. Inga H+ i basisk lösning! d) Balansera laddningarna med e- 4. Balansera elektronerna i halvreaktionerna, summera. Stryk överflödiga atomer, joner och e-.

36 Om lösningen är basisk: OH-
lägg till OH- (antal OH- = antal H+) OH-(aq) + H+(aq) H2O(l) stryk sedan överflödiga H2O

37 Gaser 5 De 4 elementen: eld, jord, luft, vatten
Ett av de 3 aggregationstillståenden: gas Gas (efter kaos på flamländska) Evangelista Torricelli (1643): Atmosfärens luft utövar ett tryck. Uppfann Barometern. Kvicksilverpelarens tryck = atmosfärens tryck Vakuum Hg 760mm Hg = 760 torr = 1atm ... men även 750mm Hg = 1bar = 1000 millibar 760mm Hg = 1013mbar

38 Tryck = kraft/yta i Newton/m2
SI - enheter: Tryck = kraft/yta i Newton/m2 1 N/m2 = 1 Pascal (Pa) 1 atm = Pa (1 mbar1 hPa (hektopascal)

39 Kvantitativa studier av gaser
Robert Boyle ( ) var den förste som gjorde kvantitativa experiment med gaser. Vad händer om man inför någon gas istället för vakuum i barometern? V1 h1 Fyll på mer Hg! V h2 V2 Ännu mer! Totala mängden instängd gas är densamma. Volymen (V) minskar men trycket (p) ökar.

40 Men p · V = konstant! Boyles lag
Alla gaser följer Boyles lag mycket nära. P·V = konstant inom 1% från p = 0 atm till p = 1atm. Ideala gaser.

41 Hur stor är konstanten p·V?
p·V (dm3·atm) 22.5 22.1 Ne O2 ... extrapolering CO2 NH3 p (atm) 1.0 p·V = 22,41dm3·atm vid 0°c (c:a 24 dm3·atm vid 20°c) konstant temperatur

42 Men vad händer om temperaturen ändras?
Volymen som f(T) vid konstant p Jaques Charles ( ): förste ballongflygaren upptäckte Charles inte bara att gasers volym V ökar om T ökar, utan även att volymen ökar linjärt med temperaturen. Charles lag: V = b·T T i Kelvin. Om T går mot 0 K, då går V mot 0 dm3, men eftersom volymen inte kan vara noll, kan T = 0 Kelvin inte uppnås. Det finns en absolut nollpunkt, vid –273,15°C

43 Avogadros lag Avogrados föreslog* 1811 att: Alla gaser vid samma p, T och V innehåller exakt lika många partiklar*. V = volymen, n = antalet mol a = konstant V = a·n *Avogadros hade rätt men det skulle dröja ända till 1860 innan världens kemister accepterade hans idé. Först då kunde man få ordning på grundämnenas relativa atomvikter, vilket var en förutsättning för periodiska systemet (1869). Avogadros dog 1856.

44 Allmänna gaslagen: p·V= n·R·T OBS! T i Kelvin!
De viktigaste parametrarna för en gas: Tryck Volym temperatur mängd Pa atm m L K mol Allmänna gaskonstanten: R = 8,3145 J K-1mol-1 R = 0, L atm K-1mol-1 BD: s.15 BD: s.148 Vad är enheten för p·V ? Beräkna gaskonstanten R i enheten m3·Pa·K-1·mol-1 från R = 0, L atm·K-1·mol-1 Molmassan för en gas kan direkt fås ur tätheten

45 STP Standard Temp Pressure (=tryck).
Vid STP: T = 0°c, P = 1atm (OBS! T  25°c) V = nRT p ____ = (1,000mol)·(0,08206dm3atm K-1mol-1)·(273,2K) _______________________________________ 1 atm = 22,42 dm3 = 22,42 L (1mol gas) Denna molvolym stämmer inom 1% för alla vanliga gaser.

46 Ex: CaCO3(s) sönderfaller vid ..°C. Se BoD! CaCO3(s) CaO(s)+CO2(g)
Hur stor volym CO2 fås om 100 gram CaCO3 upphettas till sönderfall? Svara vid STP. Calcit aragonit mCaCO3 = 100,1gmol-1 nCaCO3 = 100g · = 0,999mol 1mol 100,1g ______ vid STP 1mol CO2(g) fyller 22,42 liter. nco2 nnaco3 ___ ____ 1 1 = nCO2 = 0,999mol PV = nRT vco2 22,42L ,42L nco2 1mol mol ___ _____ ______ = VCO2 = · 0,999mol = 22,4L n p V RT __ ___ = = Konstant vid STP Beräkna även VCaCO3: mCaO= 56,19/mol VCaO VCO2 i CaCO3 = VCaCO3 - VCaO = Gaser är tusen gånger större än (l) och (s)!

47 Partialtryck, Daltons lag PTOT = P1+P2+P3+...
1atm 1atm atm + eller 2atm I en gasblandning är partialtrycket för en enskild gas: ______ nTOT i = 1, 2, 3, ... Pi= PTOT · ni där ni= antal mol av gasen ifråga nTOT= totala antalet mol gas. ______ nTOT ni Molbråk Xi = = n1+n2+n3+... __________ Vilket partialtryck har gaserna i luft? (se BD tabell s.225