KEMINS GRUNDER

För att förstå undervisningen i kemi, måste vi först gå igenom några grundläggande begrepp. Det är ungefär som att lära sig bokstäver, ord och grammatik när man lär sig ett nytt språk. Viktiga begrepp är markerade med rött.

Atomer och molekyler

Atomer är byggstenarna för allt som finns på jorden och ute i rymden. Alla atomer ser inte lika dana ut. Varje grundämne består av sin alldeles egen typ av atomer. Alla atomer har en atomkärna i mitten med positivt laddade protoner. De omges av skal med negativt laddade elektroner. Antalet protoner och elektroner varierar mellan olika grundämnen och det är detta antal som ger grundämnet dess egenskaper. I kärnan finns också neutroner, men de har ingen laddning. I våra diskussioner, antar vi att elektronerna saknas massa och att både protoner och neutroner har samma massa (värdet 1).

Elektronerna snurrar runt kärnan på olika nivåer. Det innersta skalet har plats för 2 elektroner, de andra upp till 8 elektroner. Alla ämnen strävar efter fulla elektronskal (ädelgastruktur) för det är då de är som mest stabila.

Grundämnen och kemiska föreningar

I naturen kan vissa grundämnen finnas i ren form. Detta gäller framförallt vissa metaller som guld och silver, och ädelgaser. Vanligare är att två eller flera grundämnen tillsammans bildar kemiska föreningar. Vatten och vanligt salt ärsådana exempel.

Fria syre-och väteatomer
(Syre, rött och väte, vitt)

Vatten är en kemisk förening av väte och syre.

Periodiska systemet

I det periodiska systemet har man ordnat alla grundämnen efter hur många protoner de har – atomnumret visar hur många protoner ämnet har i kärnan. I sitt normaltillstånd har atomen lika många elektroner som protoner. Atommassan visar hur mycket atomen väger. Enheter för detta är försvinnande liten, så vi bryr oss bara om siffrorna nu. Om vi tar syreatomen som exempel, så väger den cirka 16. Eftersom det i stort sett bara är protoner och neutroner som har massa innebär detta att syreatomen har 8 neutroner (8+8=16). Anledningen till att vissa grundämnen har en atommassa som är långt ifrån ett heltal, är att det kan finnas varianter med olika natal neutroner. Detta kallas isotoper.

Kemiska reaktioner

Kemister undersöker hur grundämnen och kemiska föreningar uppför sig under kemiska reaktioner. Vid en kemisk reaktion omvandlas ursprungsämnena  (reaktanter) till nya ämnen (produkter). Under reaktionen förändras atomernas sammansättning genom att reaktanterna bryts isär och kombineras på nya sätt. De flesta produkter är nya kemiska föreningar men de kan också vara rena grundämnen.

För att förstå hur kemiska reaktioner sker, måste veta hur många elektroner de ingående ämnena har i sitt yttersta skal, eftersom det bara är dessa så kallade valenselektroner som deltar i kemiska reaktioner. Periodiska systemet är så smart uppbyggt, så att alla ämnen som har lika många valenselektroner står i samma kolumn och alla ämnen som har lika många elektronskal står i samma rad.

Elektronskalen namnges med bokstäver, K-skalet är det innersta, sedan följer L-skalet, och så vidare.

Vilken atom visar bilden?

Vi kan räkna till 10 elektroner – 2 i det innersta skalet (K) och 8 i nästa skal (L) där elektronerna rör sig i banor med  2 elektroner i varje bana. Vi kan också se 10 stycken röda protoner i kärnan och 10 grå neutroner. Tittar vi nu i periodiska systemet ser vi att detta måste vara grundämnet Neon. 

Neon tillhör gruppen ädelgaser. De kallas så fär att de har fullt antal valens-elektroner och bildar därför inga milekyler eller joner (se nedan). Varje atom håller sig för sig själv. Det finns andra grupper som har speciella namn (se periodiska systemet ovan.

Joner

Eftersom alla atomer strävar efter att få ädelgasstruktur, har alla grundämnen utom ädelgaserna (som ju redan har fulla yttre skal) ett dilemma. För metallerna i grupp 1 är den enklaste lösningen att göra sig av med sin enda valenselektron. För halogenerna är problemet det omvända – de behöver skaffa sig en elektron till eftersom de har sju valenselektroner. När antalet protoner (positiva laddningar) inte stämmer överens med antalet elektroner (negativa laddningar) uppstår en elektrik obalans – atomen blir laddad, antingen positiv om det finns fler protoner än elektroner, eller negativt laddad om det finns fler elektroner än protoner. Detta kallas joner. Vi återkommer till detta i avsnittet Jonföreningar.

    En valensleketron                           Sju valenselektroner                                                     Inga valenselektroner                    Åtta valenselektroner

Egenskaper hos olika grundämnen och kemiska föreningar

Alla ämnen har sina egna unika egenskaper – färg, densitet, lukt, brännbarhet, hårdhet. Kemister försöjer förstå varför ämnena i naturen är så olika.

Det vi kallar materia kan antingen finna i ren form eller som en blandning av olika ämnen. Blandningarna kan antingen vara homogena – då ser vi inte de ingående delarna, som till exempel i saft. I heterogena blandningar kan vi urskilja de ämnen som blandningen består av, till exempel olja i vatten. Rena ämnen kan antingen vara kemiska föreningar eller grundämnen.

Det mesta du ser och använder är blandningar av flera ämnen. De är få grundämnen som förekommer i naturen i sin rena form. Marken du går på, luften du andas, föremål runt omkring dig, maten du äter och din egen kropp är alla exempel på blandningar.

Mycket av kemin går ut på att separera ämnen i blandningar, till exempel för att utvinna ämnen för läkemedel ur växter eller för att få rent järn ur järnmalm.

Massa och densitet

Alla föremål har massa – ett mått på hur mycket materia de innehåller. Men massan säger inte så mycket om storleken. Två olika föremål som har exakt samma volym kan ha mycket olika massa. 

Densitet beskriver förhållandet mellan massa och volym och visar därför hur tungt ett visst ämne är.
Enheten för densitet är kg/m3, eller ofta g/cm3. Tabellen till höger visar densitet för några metaller i enheten kg/m3.

Alla ämnen kan förekomma som fast, flytande och gas. Normalt har den fasta formen högst densitet och gasen betydligt lägre.

Kemiska formler

Vi använder kemiska formler för att på ett enkelt sätt beskriva hur kemiska ämnen ser ut eller hur kemiska reaktioner går till. När vi skriver formler utgår vi alltid från den förkortning som finns i periodiska systemet – vi skriver alltså inte Syre i formeln, utan O.

För att det skall bli rätt måste vi känna till lite om kemisk grammatik:

• Atom till jon – laddningen skrivs med upphöjda siffror och tecken (Na blir Na+)
• Laddningarna i ett ämne måste ta ut varandra –  Mg2+ +  2Cl →  MgCl2 
  (Mg har två plusladdningar då måste vi ha två klorjoner för att få två minusladdningar)
• Ovanstående gäller även då ett fast ämne löses upp –  MgCl2  →  Mg2+ +  2Cl 

Exempel på en kemisk reaktion och formelskrivning

Du skall undersöka egenskaperna hos tre olika fasta kemiska föreningar med avseende på om de löser sig i vatten och om denna lösning leder ström. Blir det en klar, genomskinlig lösning, har ämnet löst sig och det finns fria joner. Leder lösningen ström, har ämnet löst sig och det finns fria joner. Resultaten finns i tabellen nedan.

Namn                                       Kemisk formel                           Löslighet                   Leder ström                       Fria joner
Natriumkarbonat (A)                 Na2CO3                                             Ja                                    Ja                                    2Na+ och   CO32–
Kalciumklorid (B)                        CaCl2                                                 Ja                                    Ja                                     Ca2+  och  2Cl
Kalciumkarbonat (C)                 CaCO3                                               Nej                                  Nej                                   Inga eftersom det inte löst sig

När man blandar lösning A och B blir lösningen grumlig, men den leder ström – alltså bildas det ett olösligt ämne men det finns fortfarande fria joner i lösningen som kan leda ström. Reaktionen kan därför skrivas:

2Na+(aq) +   CO32–(aq)   +  Ca2+(aq)  +  2 Cl(aq)   →  CaCO3(s)  +   2Na+(aq) +  2Cl(aq) 

Det fasta ämne som bildas är alltså Kalciumkarbonat. Vi vet att detta inte löser sig i vattnet från det första experimenet och vi vet att NaCl (vanligt bordssalt) löser sig lätt i vatten. För att grammatiken skall bli helt korrekt skriver man (aq) efter de joner som befinner sig i vattenlösning och (s) efter det ämne som är fast.

Övningsfrågor

Vilka är de kemiska beteckningarna för väte, syre, kväve, kol och kvicksilver?

Hur många elektroner, protoner och neutroner har Skandium? Avrunda atomvikten till närmaste heltal.

Vad betyder siffran 2 i molekylformeln för O2?

Vad betyder siffran 3 i 3 H2O?

Vilka joner bildar Li, B, Si, Br, Se, Kr och Ca?

Skriv formler för de kemiska föreningar som kan bildas av följande joner: Na+, K+, Mg2+, Al3+, F, O2-, P3- och S2-.

Vilka är de tre vanligaste atomslagen i din kropp?

Vad är skillnaden mellan en atom och en jon?

Du har en metallbit med volymen 8 cm3 (ml). Massan mäts till 57 gram. Vilken metall är det?