Naturfag – Elektroner og bindinger

Posted i kategorien Naturfag on the 29.02.2016
Download PDF

 

Atom= Den minste byggesteinen i et grunnstoff og i de kjemiske forbindelsene. Et atom har en kjerne av protoner og nøytroner. Elektronene har forskjellig energi og beveger seg hurtig i skall rundt kjernen. Atomer er veldig små, og kan ikke ses i lysmikroskop fordi størrelsen er 1/1000 av bølgelengden til synlig lys. Kan ikke deles i mindre deler uten at de kjemiske egenskapene blir endret.

Nøytron= Kjernepartikkel som ikke har ladning (nøytral). Nøytronet har om lag samme masse som et proton. Nøytroner og protoner kalles nukleoner. Vi bruker symbolet n for nøytroner.

Proton= Kjernepartikkel som er positiv ladd. Protonet har om lag samme masse som et nøytron.  Nøytroner og protoner kalles nukleoner. Vi bruker symbolet p+ for et proton.

Elektron= En partikkel med liten masse, om lag 1/2000 av protonmassen. Elektronet er negativt ladd, og ladningen er like stor som plussladningen til ett proton (elementærladningen). Elektroner finner vi i ulike energinivåer rundt atomkjernene. De har negativ ladning og beveger seg hurtig rundt atomkjernen. Vi bruker symbolet e- for elektroner

Molekyl= Kjemisk forbindelse bygd av atomer (ikke-metaller) som holdes sammen av elektronparbindinger.

Nukleoner= Betyr kjernelegemer og er et fellesnavn for protoner og nøytroner. Protoner og nøytroner har om lag samme masse, og de to partiklene proton og nøytron har hver nesten 2000 gange større masse enn et elektron. Det meste av massen til et atom fins derfor i atomkjernen.

Elementærladning= Den minste ladningen vi vet om. Det er ladningen til protonet og elektronet. Et elektron og et proton er motsatt ladd, men disse ladningene har like stor verdi. Et atom som har like mange elektroner som protoner, er nøytralt. Det har derfor ingen ladning.

Elementærpartikler= Brukes som fellesnavn for protoner, elektroner og nøytroner.

Skallmodellen = Bruker skallmodellen når vi skal forklare oppbyggingen til atomer. Viser hvor mange elektroner det er i hvert skall. Elektroner med om lag samme energi og gjennomsnittsavstand til kjernen tilhører samme elektronskall. Maksimalt 32 elektroner i ett elektronskall. Kjerne – K-skall – L-skall – M-skall.

Forbindelser mellom ikke- metaller og metaller = Salter eller mineraler

Forbindelser mellom ikke metaller = molekyler.

Grunnstoffer= Stoff der alle atomene har samme antall protoner i kjernen Består av bare en type atomer, eksempel karbon, nitrogen, oksygen.

Kjemiske symbol= Består av en eller flere bokstaver, der den første bokstaven er stor og de neste små. Oksygen har O, hydrogen H og kobolt Co. CO = karbonmonoksid, Co = grunnstoffet kobolt.

Atomnummer= Atomnummeret til et grunnstoff er lik tallet på protoner i kjernen.

Isotoper= Isotopen av et grunnstoff er atomer som har samme antall protoner, men forskjellig antall nøytroner. Eksempel karbon som har 6 protoner, men kan ha 6 til 8 nøytroner.

Kjemiske forbindelser = Består av to eller flere atomer fra forskjellige grunnstoffer som har reagert med hverandre. Vann for eksempel: H2O. To hydrogenatomer og ett oksygenmolekyl har reagert med hverandre og blitt bundet sammen.

Periodesystemet = Dimitrij Mendelejev, russisk kjemiker, 1869 – en måte å rangere grunnstoffene på med tanke på byggnad og egenskaper.

Periode= Vannrett, sier noe om antall skall
Grunnstoffene i samme periode har samme antall skall
Bortover i perioden, fra venstre til høyre, øker tallet på protoner i kjernen og tallet på elektroner med 1, for hvert nytt grunnstoff.

Edelgass og edelgass-struktur= Grunnstoffer med edelgass-struktur har en stabil elektronfordeling og reagerer nesten ikke med andre stoffer. Helium (grunnstoff nr. 2) har to elektroner i det første (og ytterste) elektronskallet. De andre edelgassene har åtte elektroner i det ytterste skallet og vi finner de i gruppe 18.

2n^2 regelen= 2n2n = hvilket skall det er, svaret = antall elektroner i skallet
2 * 22 = 8. I de 20 første grunnstoffene er det aldri mer enn 8 elektroner i et skall

Åtteregelen= Regel som sier at atomer og ioner er mest stabile når de har åtte elektroner i det ytterste skallet (edelgass-struktur).

Elektronpar binding= når to atomer deler på ett elektron for å fylle sitt ytterste skall og lager nye molekyler. Binding mellom ikke-metallatomer der ett, to eller tre elektronpar kan delta i bindingen som er felles mellom atomene. Finnes enkel-, dobbel- og trippelbinding.

Elektronpar = Brukes ofte om to elektroner som binder sammen to atomer i en elektronparbinding.

Ion= Atom eller atomgruppe som er blitt ladd ved at den/det har fått eller mistet ett eller flere elektroner. Positivt ion: mistet elektroner (de til venstre i periodesystemet) Negativt ion: fått elektroner (de til høyre i periodesystemet.

Ionisering= Vil si at det dannes ioner. skjer når metaller og ikke-metaller reagerer med hverandre.

Ionebinding= Kjemisk binding mellom ioner med positive og negative ladninger. Ionene holdes sammen av elektrostatiske krefter og danner salter. Eksempel NaCl.

Redoksreaksjon = Kjemisk reaksjon der ett eller flere stoffer blir oksidert og ett eller flere andre stoffer blir redusert. En reaksjon med elektronovergang.

Reduksjon= Når et atom tar opp ett eller flere elektroner og blir negativt. Dette skjer ved katoden.

Oksidasjon= Når et atom gir fra seg ett eller flere elektroner og blir positivt. Skjer ved anoden.

Eksempler på redoksreaksjon: Magnesium (Mg) + oksygen (O) -> magnesiumoksid (MgO) + energi Mg ->

Mg -> Mg2+ + 2e-

O + 2e- -> O2

Magnesium nr. 12 gir fra seg 2 elektroner til oksygen nr. 6 for å få edelgass-struktur, det skjer en reaksjon med elektronovergang, en redoksreaksjon.

Huskeregel: Oksen (oksidasjon) Anton (anoden) er redd (reduksjon) for katta (katoden)

Oksygen i kjemisk forbindelse= Står som regel til slutt i formelen, og stoffnavnet ender ofte på oksid.

Elektronpositiv= Grunnstoff som lett gir fra seg elektroner til andre grunnstoffer i kjemiske reaksjoner, finner de nede til venstre i periodesystemet
Kalsium og natrium i gruppe 1 = noen av de mest elektropositive stoffene da de bare har 1 elektron i det ytterste skallet. Reagerer blant annet spontant og kraftig med vann.

Elektronnegativ= Grunnstoff som lett tar opp elektroner fra andre grunnstoffer i kjemiske reaksjoner, finner de oppe til høyre i periodesystemet i gruppene 15, 16 og 17
Fluor = det mest elektronegative stoffet, og alle verdier er regnet i forhold til elektronnegativiteten til fluor.

Elektrokjemiske spenningsrekke: En systematisk ordning av grunnstoffer i rekke etter deres evne til å gi fra seg elektroner til andre stoffer. Til venstre: stoffer som lett gir fra seg elektroner, positive. Til høyre: stoffer som ikke lett gir fra seg elektroner, elektronegative. Av to forskjellige grunnstoffer i spenningsrekken blir det grunnstoffet som står til venstre, lettest oksidert. Stoffet som blir redusert må kunne ta til seg elektroner og er ofte et positivt ion.

(S)= stoff

(1) = væske

(g) = gass

(aq) =løst i vann

Elektrolyse= Redoksreaksjon der vi tilfører elektrisk energi for å danne grunnstoffer i nøytral form. Elektrolyse brukes blant annet til å framstille metaller av metallioner.

Spalting av et stoff i en vannløsning eller i ei smelte av stoffet ved hjelp av elektrisk likestrøm. Et eksempel er spalting av saltet kopperklorid løst i vann. Vi får da dannet metallet kopper og klorgass.

Hvorfor løses salter i vann? -fordi vannmolekylene trenger seg på fra alle kanter og den kraften er sterkere enn bindingene mellom saltene.

Elektrode = Elektrisk leder (ofte metall) som er i kontakt med en elektrolytt i elektrolyse eller i et galvanisk element. – stav, plate eller tråd som leder elektrisk strøm til elektrolyseløsningen.

Katode= Den negative elektroden, der det foregår reduksjon.

Anode= Den positive elektroden, der det foregår oksidasjon
Sink kan for eksempel bli oksidert til sinkioner
Zn (s) -> Zn2+ (aq) + 2e-.

Galvaniske elementer = En spenningskilde (strømkilde) som består av to forskjellige elektroder og en elektrolytt. Utnytter at grunnstoffene har ulik evne til å gi fra seg elektroner.

Elektrolytt = Et stoff som kan lede elektrisk strøm – en væske som kan overføre strøm.

Ladning = Fysisk størrelse som enten er positiv eller negativ. Ladningen til et proton og et elektron kaller vi elementærladningen. Ladningene er elektroner i en elektrisk ledning, eller ioner løst i vann.
Symbol: Q eller q
Enhet: Coulomb, C. 1 C = 6,25 * 1018

Strøm = Elektrisk strøm er forflytning av ladninger. Det kan være elektroner i en metalledning eller ioner i en løsning eller ei smelte. Strøm måles som antall ladninger som passerer per sekund i et tverrsnitt av en ledning.
Symbol: l

Enhet: Ampere, A. 1 A = 1 C / 1 s dvs. 1 ampere er lik 1 C i sekundet

Spenning = Spenning driver strømmen i en strømkrets. Spenning er arbeidet per ladning som den elektriske kraften utfører.

Symbol: U
Enhet: volt, V
Eksempel på en spenningskilde kan være et batteri eller en solcelle.

Resistans(motstand) = Resistansen er en størrelse som viser motstanden i en krets når ladningen forflyttes. En motstand hemmer bevegelsene til ladningene. Mål for hvor lett elektroner beveger seg gjennom et stoff
Symbol: R
Enhet: ohm

Ohms lov = I en elektrisk krets gjelder det at U = R * I mellom to målepunkter i kretsen.

Effekt = I elektrisitetslæren er effekten gitt ved P = U * I. Den elektriske effekten øker i takt med spenningen og strømmen.
Symbol: P
Enhet: watt (W)

  • Oppbygging av et galvanisk element: Kan bygges på mange forskjellige måter. Et fellestrekk: elektrodene er bygd av ulike metaller. Elektrodene står i kontakt med en elektrolytt.
  • Noen stoffer gir fra seg elektroner (oksideres), og andre stoffer tar opp elektroner (reduseres). Reaksjonene skjer spontant og frigir energi, det er elektrons negativiteten som avgjør om reaksjonen skjer spontant eller ikke.
  • Batteri: Strømkilde som består av ett eller flere galvaniske elementer som er koplet sammen. Når de er koplet sammen i serie, kan batteriene få høyere spenning og levere mer elektrisk strøm (energi)
  • Den negative polen (eksempel metallet sink) i det galvaniske elementet gir fra seg elektroner til den positive polen (eksempel karbon) gjennom ledningene og lyspæra i strømkretsen. Elektronene blir transportert videre til elektrolytten.

  Omgangsbatteri/ primærbatteri: De mest brukte batteriene

  • Kan ikke lades opp
  • Finnes i ulike former: runde, firkantede eller som knappeceller.
  • Engangsbatteri: primær. Eks. brunsteinbatteri. Brunstein= MnO2
  • Knappecellebatterier: Brukes i små elektroniske apparater – lommeregner, fjernkontroll, armbåndsur, fotoutstyr, spill, små leker. Utformet som en knapp, oftest sølvfarget. Ikke oppladbare
  • Det er litium eller kvikksølv i de fleste knappecellebatterier. Batterier av kvikksølv er skadelige for miljøet, og forbudt å importere og omsette. Litiumbatterier er ikke miljøskadelige, men skal leveres som spesialavfall.

Alkaliske batterier vanligste typen: Gir en ganske jevn spenning gjennom hele levetiden. Inneholder ikke tungmetaller som kvikksølv eller kadmium (miljø). Positiv pol: karbon og negativ pol: sink. Sinken er formet som en sylinder og holder elektrolytten på plass. Elektrolytten = manganoksid (brunstein), sinkklorid og kaliumhydroksid. Kaliumhydroksid er en sterk base som gir et basisk (alkalisk) miljø i elektrolytten. Redoksreaksjon: manganoksid redusert, zink oksidert. Varer 4 ganger så lenge som andre tilsvarende engangsbatterier fordi sinkelektroden oksideres langsommere i en basisk løsning enn en sur løsning.

  • Oppladbare batterier/ sekundærbatterier: I de oppladbare batteriene – sekundærbatteriene – kan redoksreaksjonene reverseres ved å bruke elektrisk energi. De kan lades 500 til 1000 ganger, avhengig av batter type og utstyr
  • Det oppladbare batteriet er fastmontert i for eksempel mobiler, da kobler vi hele apparatet til en batterilader. Det blir stadig utviklet nye batterityper: kan lades enda flere ganger, leverer høyere spenning og enda mer miljøvennlige.
    • Kadiumbatterier: Tidligere var det vanlig med kadiumbatterier
    • Miljøfarlig – nå er nesten alle kadiumbatterier byttet ut med mer miljøvennlige alternativer.
    • Litium ion batterier: De vanligste batteritypene i mobiler, nettbrett og datamaskiner. Svært lett, lang levetid. Den positive elektroden er en litiumforbindelse og den negative elektroden er karbon med litium
    • De siste årene har det vært flere typer brann i elektriske apparater med denne typen batterier og det kan være vanskelig å slukke disse brannene fordi: inneholder brennbart materiale + utvikler seg oksygengass ved den ene elektroden

Utlading og opplading av litium-ion batterier: – Ved utladning: Li+-ionene flytter seg fra den positive elektroden til den negative

– Ved oppladning: motsatt vei, Li+-ionene flytter seg fra det negative elektroden til den positive.

Brenselceller: Frigjør energi gjennom redoksreaksjoner som vi utnytter, eksempel når hydrogengass eller metangass reagerer med oksygengass. Tilsvarende kjemiske reaksjoner som i batteriet, men brenselceller får hele tiden tilført drivstoff i en jevn strøm utenfra. Brenselcellene fanger opp energien som blir frigjort i redoksreaksjonene slik at de kan brukes til varme, mekanisk energi i en forbrenningsmotor i et kjøretøy eller elektrisk energi.

  • Forbrenning reaksjon: Forbrenning = når hydrogengass eller andre stoffer reagerer med oksygengass
  • Oksygen blir redusert, andre grunnstoffer oksidert og energi frigitt
  • Dersom brenselet er hydrogengass, dannes det vann som sluttprodukt i reaksjonen
  • H2 + O2 ® H20 + energi
    Hydrogengass + oksygengass ® vann + energi.

    • Hva er en PEM celle? vanligste brenselcelletypen
    • Proton Exchange Membrane Fuel Cell
    • Bruker hydrogen som drivstoff til å lage strøm
    • 2H2O + O2 ® 2H2O + energi (vann er avfallsprodukt)
    • Katalysatoren i anoden splitter opp hydrogengass til elektroner og ioner.
    • Utfordringer med brenselceller / PEM cell : Øke levetiden
    • Øke virkningsgraden
    • Forbedre membran-kvaliteten
    • Bruke billigere materialer
    • Høy forbrenningstemperatur

Hvordan fungerer en PEM celle? Hydrogengass ledes inn på den ene siden av den protonledende membranen og oksygengass på den andre siden. Hydrogen blir oksidert til H+-ioner (protoner) ved anoden. Ionene kan vandre gjennom membranen (den er protonledende). Elektronene må gå gjennom en ytre krets (elektrisk ledning) for å komme seg fra hydrogensiden til oksygensiden. Dette gjør at brenselcellen kan lede strøm. På oksygensiden (katoden) reagerer H+-ionene med oksygen, og det blir dannet vann.

Hva er reaksjoner ved hver av elektrode i brenselcellen: Anoden: 2H2 ->  4H+ + 4e-
Katoden: O2 + 4H+ -> 2H2O
Samlet reaksjon: 2H2O + O2 ->  2H2O + energi

  • Utviklingene av PEM celler: Økt effekt og levetid. Produksjonskostnadene vil gå ned.

Lab øvelse:

Argumenter for biler på hydrogengass: – null utslipp av røyk eller giftige gasser

– kan starte i 30 minusgrader

– like sikker som bensin- og diselbiler

– vil bli billigere.

Argumenter mot biler på hydrogen gass: – kan være eksplosivt dersom det ikke behandles riktig

– dyrt

– få fyllestasjoner

Elektrolyse av salter løst i vann: kopper fra kopperklorid

Ved hjelp av elektrisk energi kan vi framstille metallet kopper av saltet kopperklorid. Kopperklorid (CuCl2), lett løselig i vann: kopperioner (Cu2+) og kloridioner (Cl-). Kloridionene oksideres ved den positive elektroden og danner kloratomer, de går sammen og danner klorgass
Cu2+ (aq) + 2e- + energi -> Cu (s) – Cu2+ -ionene redusert til Cu-atomer. Danner kopper som fester seg på den negative elektroden, Cl-(aq) – e + energi -> Cl og Cl + Cl ® Cl2 (g) – Clionene oksidert til Cl-atomer, bindes sammen til klorgassmolekyer, Cl2, (enkel elektronparbinding)

Elektrolyse av vann

  • Gir hydrogengass (dobbelt så mye) og oksygengass. Dyr prosess, mye energi + men rein gass Hydrogen + nitrogen = ammoniakk
  • 2H2O(l) + energi -> 2H2(g) + O2(g)
  • Hydrogen redusert: H+ -ioner til H2-gass (hydrogen mottar elektroner fra oksygen – oksidert)
  • Kun 10 % i dag, nå: fossile hydrokarboner ved dampreformering