KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi

F6

Deskriptiv Kemi Huvudgrupperna Atkins & Jones kap 15

Motivering

• Kemisk allmänkunskap

• Trender Förutsäga egenskaper

• Användningsområden Vad finns?/Vad finns inte?

• Biologiska Icke-biologiska Artificiella system

• Kemins inflytande på samhälle och biologi

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 2

Periodicitet, trender och det periodiska systemet

Mendeleevs periodiska system (1869)

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 3

Periodiska systemet

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 4

Trender - Huvudgrupperna

• De flesta kemiska egenskaper och trender kan förklaras utifrån förhållandet mellan kärnladdningen och antalet samt avståndet till valenselektronerna

• Effektiv kärnladdning och skärmning (shielding)

• Högre skal ligger längre ifrån kärnan

• För huvudgrupperna som har sina valenselektroner i s- och p-orbitaler vilka ligger relativt nära kärnan och därmed är skärmningen av elektronerna inte så effektiv

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 5

Trender – Atom- och jonradie

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 6

OBS! Skilj på katjoner och anjoner!

Trender – Joniseringsenergi

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 7

Joniseringsenergi – Den energi som krävs för att avlägsna en elektron Jmf t.ex. Alkalimetaller och halogener

1a joniseringsenergin (kJ/mol)

Trender – Polarisabilitet

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 8

Polariserbarhet – Hur lätt elektronmolnet runt en atom kan formas/förskjutas av ett närliggande elektriskt fält

Trender – Elektronaffinitet

Elektronaffinitet – Energi som frigörs när en elektron tillförs en atom i grundtillståndet

• Är högst till höger i periodiska systemet

• Inte lika tydlig trend i grupperna

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 9

Trender – Elektronegativitet

Elektronegativitet – Hur starkt en atom i en förening drar till sig elektrontäthet

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 10

Väte (1s1)

• Framställning – Ångreformering

Från kol eller naturgas

– Elektrolys

– Laboratorier

– Framtiden?

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 11

Vattengas / Syngas (Synthesis Gas)

Vattengasjämvikten (G0

298°C = -29 kJ/mol)

Föreningar av väte och dess egenskaper

• H2 – Mycket användbart för reduktioner och hydrogeneringar (t.ex. av N2, omättade kolväten mm)

• H+ (proton, “vätejon”)

• H- (hydridjon)

• Kovalenta hydrider, t.ex. BH3, AlH3

• Vätebindningar (N,O,F)

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 12

Donator Acceptor

Alkalimetaller (ns1 ) Li, Na, K, Rb, Cs, Fr

• Egenskaper – Starkt reducerande – Mjuka, låg densitet, låg smältpunkt – Basiska oxider (NaOH, Li2O)

• Skillnad sura och basiska oxider (kovalent eller joniskt inslag)

• Framställning

– Na-metall - Downs processen • CaCl2 tillsätts för att sänka smältpunkten för NaCl. Varför bildas inte Ca metall?

– Kalium löser sig för mycket i CaCl2 (l) – NaOH framställs genom elektrolys av vattenlösning av NaCl

Kloralkaliprocessen

• Användning – Li batterier – Katjon salten mycket vanliga (NaHCO3, NaCl, KBr) – Na+ och K+ biologiskt mycket viktiga

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 13

Alkaliska jordartsmetaller (ns2) Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra

• Egenskaper – Metalliska (Be dock vissa ickemetalliska egenskaper) – Starkt reducerande – Högre smält- och kokpunkter än alkalimetallerna – Basiska oxider och hydroxider (MgO, CaO, Ca(OH)2)

• Framställning av metaller

– Elektrolys eller kemisk reduktion av klorider eller oxider

• Användning – Magnesium lättaste metallen för konstruktioner – Mg2+ och Ca2+ biologiskt viktiga

• Mg2+ - Klorophyll , DNA och RNA klyvning/bildning • Ca2+ - Tandemalj & benvävnad Ca5(PO4)3(OH) (hydroxy apatite)

– Be - röntgenrör, legeras med Cu för ökad styrka

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 14

Borgruppen (ns2p1) B, Al, Ga, In, Tl

• Egenskaper

– B: halvledare

– Al, Ga, In, Tl: metalliska

– Al mest förkekommande metallen i jordskorpan

• Viktiga koncept och föreningar

– Borax: Na2B4O7.10H2O Används i värmetåligt glas

– Borsyra är en svag syra

• BX3 och AlX3 (X = H, F, Cl, Br, -CH3 etc) starka Lewis syror

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 15

Framställning Aluminium

• Hall processen: Elektrolys av alumina (Al2O3)smälta med grafitelektrod Na3AlF6 (Cryolite) tillsätts för reduktion av smältpunkten

1 ton Al kräver 15 000 kWh och 17 miljoner ton produceras per år!

Ren Al2O3 fås från Bayer processen

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 16

Syntetisk cryolite

Kolgruppen (ns2p2) C, Si, Ge, Sn, Pb

– C: icke-metall, max 4 bindningar

– Si, Ge: halvledare 4-6 bindningar

– Sn, Pb: metaller

• Skillnader mellan C och Si:

– Inerta C-C bundna kolkedjor och dubbelbindningar

– Max bindningstal C 4; Si 6

Beror till stor del på skillnad i storlek, elektronegativitet samt tillgång på d-orbitaler (Si)

• Oxider av C och Si är sura (CO2, SiO2)

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 17

Kolets kretslopp

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 18

Kolets kretslopp och Växthuseffekten

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 19

Kol och Kisel

• Viktiga former av kol: • Grafit (sp2)

• Diamant (sp3)

• Fullerene (C60, Buckminsterfullerene)

• Stenkol (Coal) - Fossilt kol med låg vätehalt (75-90% C)

• Koks (Coke) –Stenkol upphettad utan luft (O2), högre kolhalt, mindre flyktiga ämnen

• Träkol (Charcoal) – Trä eller organiskt matrial upphettat utan luft

• Framställning Kisel

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 20

Zonsmältning

C60

Grafit

Diamant

• Silica SiO2 – naturligt förekommande i kvarts och sand

• Ortosilikater – Enskilda SiO44- joner – t.ex. Zircon ZrSiO4 (Fejk diamanter)

• Sorosilikater – Avgränsade flerkärniga silikater – Beryll, smaragd

Silikater

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 21

Kvarts Kvartsit Kristoballite Smaragd

Exempel Sorosilikater

Silikater

• Pyroxener – Enkla kedjor av SiO42- (SiO3

2-)- Jade NaAl(SiO3)2

• Inosilikater - Två eller fler parallella silikatkedjor t.ex. Tremolite – Ca2Mg5(Si4O11)2(OH)2 (en typ av asbest)

• Fyllosilikater – Oändliga skikt – t.ex. talc

• Tektosilikater – Rymdnätsstruktur t.ex. fältspat och zeoliter

• Aluminatsilikater – Si(IV) delvis utbytt mot Al(III) t.ex. mica, beryll,

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 22

Zeolit struktur

Kvävegruppen – Pniktogenerna (ns2p3)

• Egenskaper

– N, P: icke-metaller

– As, Sb: halvledare

– Bi: metall

• N2 är en mycket stabil förening Atmosfäriskt innehåll (76 %m)

• Två viktiga allotroper av P Vit (P4) och röd fosfor

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 23

Vit fosfor: Mycket reaktiv och giftig! Fosforescent i fuktig luft.

Röd fosfor: Mindre reaktiv

Kvävefixering • Ammoniakframställning via Haber-Bosch processen

– Kräver hög temperatur (400 ºC) och därmed högt tryck (200 atm)

– H2 från ångreformering ( CO2 utsläpp) eller elektrolys (dyrt)

• Ammoniak används främst till gödningsmedel och sprängämnen och är den mest producerade kemikalien i mol räknat

• Biologisk kvävefixering görs av bakterier vid låga temperaturer och tryck (1 atm) m.h.a. enzymet nitrogenas med FeMo co-faktor

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 24

Kväves kretslopp

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 25

Viktiga kväve och fosfor föreningar

• Kväveoxider och syror (tabell bok)

– HNO3 Salpetersyra

– NO2 kvävedioxid radikal

– HNO2 Salpetersyrlighet

– NaNO2 natrium nitrit (konservering av kött)

– NO kväveoxid (neurotransmittor, radikal)

– N2O dikväveoxid (lustgas)

– H2N2O4 undersalpetersyrlighet

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 26

Fosforsyror och anhydrider

• Fosforsyra och anhydrider

– H3PO4 fosforsyra

– Adenosin trifosfat (ATP)

• Ca5(PO4)3OH – hydroxyapatit – viktigt mineral, finns även i ben och tandemalj

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 27

Syregruppen – Kalkogenerna (ns2p4)

• O, S, Se: icke-metaller

• Te, Po: halvledare (Po radioaktiv)

• Skillnader syre och svavel – O2 (23 %m atmosfären), O3 (ozon)

– S8 (ring), kan bild långa kedjor (katenering) och ringar (S6-20)

– O2 paramagnetiskt; S8 diamagnetiskt

• Framställning – O2 genom destillering av kondenserad luft

– Svavel bryts m.h.a. Frasch processen eller produceras genom oxidation av H2S i naturgas.

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 28

Svavelsyra

• Världens “viktigaste” kemikalie, H2SO4. Framställs i större mängd (massa) än någon annan oorganisk kemikalie.

• Framställs via kontaktprocessen

• Används vid framställning av gödningsmedel, rengöringsmedel, petroleumprodukter etc etc etc

• Utsläpp av SO2 stort miljöproblem, varför?

• SIV!!

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 29

Halogenerna (ns2p5) F, Cl, Br, I, At

• Alla halogener är icke-metaller (At radioaktiv)

• F det mest elektronegativa elementet Ox. Tal -1

• F2 det mest oxiderande och reaktiva ämnet. Kräver elektrolys (av KF i HF) för framställning

• F2 och Cl2 fås via elektrolys av anionsalt (KF resp. NaCl)

• Br2 och I2 genom kemisk reduktion av anionsalt m.h.a. Cl2

• Användning

– F2 till teflon och fluorerade kolväten

– Cl2 för kemikalie produktion (org. och oorg.), blekning mm

– NaClO (natrium hypoklorit) används i desinfektions och blekmedel

– Br2 för organisk syntes, flamskyddsmedel

– NaI i bordssalt med jod; I2 i form av I3- som redoxpar i TiO2 solceller

• HF mycket farlig syra (trots pKa ~3.0) och löser glas. Varför? (jmf HCl pKa -7).

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 30

Ädelgaserna (ns2p6)

• He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn (Rn radioaktiv)

• Mycket oreaktiva (inerta) monoatomära gaser

• Alla utom He och Rn utvinns genom distillation av kondenserad luft

• He utvinns ur naturgas som kan innehålla upp till 7 % He, (Rn från radioaktivt sönderfall av Ra)

• 4He2+ kallas för -partikel och bildas vid radioaktivt sönderfall

• Flytande helium används som kylmedium (4K) för magnetröntgen, NMR mm

• Ne används i neonskyltar färgämnen olika färger

• Xe den enda ädelgasen som bildar någorlunda stabila kemiska föreningar t.ex. XeF4, XeO3

KEMA02 F6 MJ 2012-11-20 31