Dette er venstre ramme i læreverket "Naturfag for alle". Dersom du har kommet hit fra en søkemotor bør du gå til forsiden slik at du kan gå inn i læreverket på riktig måte. Klikk her for å gå til forsiden. Legg merke til kapittelnummeret hvis du vil tilbake hit.

4D Kjemiske reaksjoner og kjemisk energi

Energiformer
I forrige kapittel lærte vi at alle energiformer grunnleggende sett er enten bevegelsesenergi eller stillingsenergi, eller en blanding av begge.

Indre energi
Vi lærte om stoffenes indre energi at den er summen av stoffpartiklenes bevegelses- og stillingsenergi. Stoffpartiklene kan være atomer, ioner eller molekyler. Innen en og samme aggregattilstand (fase) oppfatter vi stoffets indre energi som temperatur. Dess høyere temperatur, dess høyere indre energi.

Faseovergang
Ved overgangen mellom to aggregattilstander (faseovergang) skjer det et sprang i den indre energien. Dette skyldes endringer i stoffpartiklenes gjennomsnittlige avstand til hverandre, og dermed deres stillingsenergi. Økt innbyrdes avstand gir økt stillingsenergi.

Is-vann-damp
Ved å studere overgangen is-vann og vann-damp, fant vi ut at vann ved 0 oC har høyere indre energi enn is ved samme temperatur (smelteenergi), mens damp har høyere energi enn vann, selv om begge har temperaturen 100 oC (fordampningsenergi) . Når damp kondenserer tilbake til vann igjen, frigjøres energien. Det tilsvarende skjer når vann fryser til is.

Kjemisk energi
I dette kapittelet skal vi se på energiformen kjemisk energi. Vi skal lære at denne energiformen egentlig er summen av stillingsenergiene til atomene i en kjemiske forbindelse eller et grunnstoff.

Først litt om hva vi mener med en kjemisk forbindelse.

1 Kjemisk forbindelse

I en kjemisk forbindelse er atomer av to eller flere grunnstoff bundet sammen av ionebinding eller kovalent binding. For en gitt kjemisk forbindelse vil det være et fast forhold mellom antall atomer av ulike typer. I vann, for eksempel, vil det alltid være to hydrogenatomer for hvert oksygenatom, mens metan har fire hydrogenatomer for hvert karbonatom. Den kjemiske formelen for forbindelsen forteller om dette forholdet. Vann: H2O Metan: CH4

En kjemisk forbindelse har et fast sett av fysiske egenskaper, slik som smelte- og kokepunkt, massetetthet, farge, lukt osv.

En kjemisk forbindelse har som regel helt andre egenskaper enn de stoffene som forbindelsen er satt sammen av. Dannelsen av en kjemisk forbindelse fører derfor til en stofflig forandring. Vann har helt andre egenskaper enn grunnstoffene hydrogen og oksygen, som vann består av.

Figur 1. Egenskapene til noen kjemiske forbindelser og grunnstoffene de består av Nytt vindu

Blandinger

Et stoff som består av bare én kjemisk forbindelse, eller ett grunnstoff, er rent. Mesteparten av stoffene som omgir oss er imidlertid blandinger av to eller flere kjemiske forbindelser eller grunnstoff. Blandinger har ikke faste fysiske egenskaper. Egenskapene avgjøres av hvor mye det er av hvert stoff i blandingen. Sjøvann, for eksempel, er en blanding av vann og ca. 3,5 % salt. Rent vann fryser ved 0 oC, mens sjøvann fryser først når temperaturen er nede i -1,9 °C. Da er det bare vannet som fryser, mens saltet skilles ut. Vann med høyere saltinnhold har enda lavere frysepunkt. Massetettheten til saltvann påvirkes også, dess mer salt, dess større massetetthet har blandingen. Fjerner vi vannet ved fordampning, vil også saltet skilles ut. Når alt vannet er vekke, vil saltet ligge igjen som saltkrystaller (figur 10, kapittel 4A) .

Figur 2. Blandinger Nytt vindu

2 Kjemisk reaksjon

I en kjemisk reaksjon vil en eller flere kjemiske forbindelser, og/eller grunnstoff, reagere med hverandre slik at atomene blir satt sammen på en ny måte. Det oppstår nye kjemiske forbindelser til erstatning for de opprinnelige.

Reaksjonen mellom hydrogen og oksygen

FORSØK 1. HYDROGEN BRENNER I LUFT

Utstyr
Beskyttelsesesbriller, reagensrør, passende kork med hull, vinkelformet glassrør der den ene enden er spisset men fortsatt hul (sjekk dette), liten glassplate, 20 % saltsyre (1 del vann + 1 del konsentrert saltsyre), sinkbiter, fyrstikker.

Bruk beskyttelsesbriller
Glassplaten legges i kjøleskap eller kjøles på annen måte. Vi har saltsyre i reagensrøret og slipper noen sinkbiter oppi syren. Vi setter korken i reagensrøret og fører glassrørets ikke-spisse ende gjennom hullet i korken.

Figur 3. Hydrogen brenner i luft Nytt vindu

Det stiger bobler opp fra sinkbitene. Det betyr at det blir utviklet gass. Gassen passerer gjennom glassrøret og ut spissen. Vent til gassutviklingen i reagensrøret har pågått så lenge at all opprinnelig luft er presset ut av reagensrøret. Når vi holder en fyrstikk inntil gassen som strømmer ut av spissen ser vi at gassen antenner og brenner med blå flamme. Vi holder den kalde glassplaten mot flammen. Det avsettes dugg (små vanndråper) på glassflaten.

Forklaring
Når saltsyre reagerer med sink utvikles hydrogengass. Denne bobler opp fra sinkbitene og ut av væsken der den blander seg med luften i reagensrøret. Etter kort tid er all luft presset ut og bare ren hydrogen kommer ut av rørspissen. Ved antenning skjer det en reaksjon mellom denne hydrogengassen og oksygengassen i lufta. Det dannes vanndamp (vann i gassform). Ved å holde den kalde glassplaten inntil flammen kan vi få noe av vanndampen til å kondensere til flytende vann i form av små dråper (dugg). Flammens blå farge skyldes den høye temperaturen (over 2000 °C).

--

FORSØK 2. KNALLGASS

Utstyr
Beskyttelsesesbriller, stativ med klemme, to reagensrør, passende kork med hull, kort glassrør, glassrør med bøy, gummislange, 20 % saltsyre (1 del vann + 1 del konsentrert saltsyre), biter av granulert sink, flat skål, fyrstikker.

Bruk beskyttelsesbriller
Vi fyller vann i den flate skålen og legger et av reagensrørene nedi sidelengs slik at det fylles. Det andre reagensrøret festes til klemmen i stativet. Her har vi saltsyre og sinkbiter. Ved hjelp av kork, glassrør og slanger leder vi hydrogengassen som blir utviklet ned til glasskålen. Ved å senke det bøyde glassrøret under vannflaten, reise det vannfylte reagensrøret med åpningen ned og holde det over det bøyde glassrøret der gassen bobler ut, får vi samlet gassen i reagensrøret.

Figur 4. Knallgass Nytt vindu

Når reagensrøret i vannskålen er fullt av gass, løfter vi det ut av skålen. Hydrogen er lettere enn alle andre gasser, så ved å holde reagensrøret vertikalt med åpningen ned, hindrer vi hydrogengassen i å unnslippe. Vi tenner gassen ved å vende røret horisontalt og samtidig holde en fyrstikkflamme foran åpningen. Gassen blir antent og eksploderer med et lite "bjeff". Forsøket kan gjentas så lenge det produseres gass i det andre reagensrøret.

Forklaring
Hydrogengassen som er samlet opp i reagensrøret er lettere enn luft. Når røret holdes horisontalt, vil gassen straks sive ut av røret. I samme grad vil luft trenge seg inn på undersiden. Hydrogenet blandes dermed med oksygenet i lufta. Denne blandingen er eksplosiv og blir antent av flammen. Eksplosjonen skaper en oppvarming som får gassene til å utvide seg plutselig og blåse ut av røret. Dette skaper den bjeff-lignende lyden.

Vannmolekylet består av to hydrogenatomer og ett oksygenatom. En blanding av hydrogengass og oksygengass i et tilsvarende forhold, altså 2 : 1, skaper ideelle forhold for reaksjonen. Da kan temperaturen under reaksjonen komme opp i 3500 °C. En slik blanding kalles knallgass.

Reaksjonen mellom oksygen og hydrogen gir så stort energiutbytte at den brukes til framdrift av raketter for romfart.

Vi merker i de to forsøkene ovenfor at når hydrogengass og oksygengass reagerer og blir til vann, frigjøres det mye energi. Denne energien gjør at temperaturen i reaksjonsproduktet blir svært høy. Høy temperatur vil si at molekylene har fått stor bevegelsesenergi.

Figur 5. Reaksjonen mellom hydrogen og oksygen Nytt vindu

Vi ser av figur 5 at i det øyeblikket hydrogenatomene går over til oksygenatomene, farer de nyskapte vannmolekylene fra hverandre med stor fart. Hvorfor settes de i så stor bevegelse?

Vi kan forklare dette med at de kovalente bindingene som holder atomene i H2- og O2-molekylene sammen, presser atomkjernene mot hverandre. Men atomkjerner er positivt ladde og like ladninger frastøter hverandre. Det er derfor store spenninger innebygget i molekylene, omtrent som fjærer som holdes sammenpresset. Atomene har derfor stor stillingsenergi. Dette gjelder særlig oksygenmolekylet som har to kjerner med stor positiv ladning. I vannmolekylet er den indre spenningen mellom atomkjernene, altså stillingsenergien, langt mindre. Her er kjernene lengre fra hverandre og molekylet har bare én kjerne med stor positiv ladning. Men, når stillingsenergien avtar, må bevegelsesenergien øker tilsvarende. Dette fordi den samlede energien i systemet hele tiden vil være konstant. Energi kan nemlig ikke skapes eller forsvinne, kun gå over fra en form til en annen.

Aktiveringsenergi

I forsøkene ovenfor måtte vi holde en brennende fyrstikk inntil gassblandingen. Dette var nok til at gassblandingen oppnådde antennelsestemperaturen. Fyrstikkflammen tilførte energi til gassblandingen. Denne energien kalles aktiveringsenergien. Ved å tilføre denne energien ble molekylene satt i så stor bevegelse at de kovalente bindingene i H2- og O2-molekylene ble revet i stykker. Gassblandingen kom da i en kortvarig og ustabil tilstand der atomene var frie. Denne aktiverte tilstanden hadde høyere stillingsenergi, fordi atomene fikk større avstand til hverandre til tross for de kovalente bindingskreftene som søkte å holde dem sammen. For å oppnå denne tilstanden måtte vi tilføre energi, i form av fyrstikkflammen. Fyrstikkflammen tilførte energi til bare en liten del av gassblandingen. Men straks disse molekylene reagerte til vann, avga de varme slik at reaksjonen forplantet seg videre. På et øyeblikk hadde hele gassblandingen nådd antennelsestemperaturen. Da alle atomene deretter "klikket sammen" til vannmolekyler, H2O, falt samtidig stillingsenergien i blandingen til langt under det den hadde før reaksjonen. Med økt temperatur (bevegelsesenergi) som resultat. Dette er oppsummert i figur 6.

Figur 6. Aktiveringsenergi og forholdet mellom kjemisk energi og indre energi Nytt vindu

Spalting av vann

Nå skal vi se på den stikk motsatte reaksjon. Vi skal omdanne vann til oksygen- og hydrogengass. Men hvordan skal det kunne gå for seg når disse gassene inneholder mye mer energi enn vann?

Her holder det ikke å tenne på vannet, og så vil reaksjonen gå av seg selv. I stedet må vi hele tiden tilføre energi. Straks energitilførselen stopper, stopper også reaksjonen. Energien tilfører vi i form av elektrisk strøm. Prosessen kalles elektrolyse av vann eller spalting av vann. Der man har tilgang til det, kan Hoffmanns vannspaltingsapparat brukes for å demonstrere prosessen. Vi skal utføre samme eksperiment med enklere apparatur.

FORSØK 3. SPALTING AV VANN

Utstyr
Beskyttelsesesbriller, to reagensrør, to kullelektroder, lav skål, batteri, to ledninger med plastbelagte krokodilleklemmer, svovelsyre, treflis, vaselin, fyrstikker.

Bruk beskyttelsesbriller
Vi heller vann i skålen og har oppi en skvett fortynnet svovelsyre (H2SO4). Ved hjelp av ledningene kobles elektrodene til hver sin batteripol og settes opp i skålen uten å berøre hverandre. Det utvikles gass ved begge elektrodene. De to reagensrørene fylles med vann og settes med åpningen ned over hver av de to elektrodene slik at de fanger opp gassen.

Figur 7. Vannspalting Nytt vindu

Vi legger merke til at det reagensrøret som samler gass fra den negative elektroden (koblet til minuspolen på batteriet) blir dobbelt så fort fullt som reagensrøret over den positive polen.

Vi tester den oppsamlede gassen over den negative elektroden ved å tenne på den. Da reagerer den med oksygenet i luften og blir til vann igjen, som i knallgasseksperimentet ovenfor (figur 4).

Gassen fra den positive elektroden tester vi ved hjelp av en glødende treflis. Når den kommer inn i gassen lyser den opp.

Forklaring
Gassen som utvikles ved den negative elektroden er hydrogen (brenner i luft), mens gassen fra den positive elektroden er oksygen (får glødende treflis til å lyse opp). Siden formelen for vann er H2O vil det for hvert oksygenatom som spaltes, frigjøres to hydrogenatomer. Derfor blir det dobbelt så mye hydrogengass som oksygengass i reagensrørene.

Når svovelsyren løses i vannet dannes ioner slik:

  • H+-ionene trekkes mot den postitive elektroden der de mottar den elektronen de mangler og blir nøytrale H-atomer som så slår seg sammen to og to og danner hydrogengass, H2.

  • -ionene trekkes mot den positive elektroden hvor de blir fratatt sine to ekstra elektroner. Den nøytrale SO4-gruppen, uten to ekstra elektroner, er utstabil. For å bli stabil trenger gruppen to hydrogenatomer og disse tar den fra nærmeste vannmolekyl og blir svovelsyre () igjen (som igjen blir til ioner). For hvert vannmolekyl (H2O) dette skjer med, blir det ett oksygenatom til overs. De slår seg sammen to og to og danner oksygengass, O2.

Reaksjonen blir slik:

Men til syvende og sist er det jo bare vannmolekylet som blir endret:

Derfor kan vi kutte ut svovelsyren og dens ioner i reaksjonsligningen som dermed blir slik:

Vi har nå illustrert to viktige særtrekk ved kjemiske reaksjoner:

  1. En kjemisk reaksjon innebærer en stofflig forandring
  2. En kjemisk reaksjon fører til en energimessig forandring

Vi skal nedenfor si litt mer om den energimessige forandringen.

3 Eksoterme og endoterme reaksjoner

Eksoterme reaksjoner

Reaksjonen mellom hydrogen og oksygen til vann er en eksoterm reaksjon. En reaksjon er eksoterm når utgangsstoffene har mer kjemisk energi enn produktene. En eksoterm reaksjon frigjør kjemisk energi. Den kjemiske energien blir til indre energi, hvilket vil si at temperaturen stiger.

De fleste eksoterme reaksjoner er spontane, det vil si at de skjer av seg selv. Dette er like naturlig som at en ball ruller nedover når vi legger den i en skråning.

Dersom mellomproduktene i reaksjonen har høyere energi enn utgangstoffene, må utgangstoffene ha en viss indre energi (dvs. temperatur), aktiveringsenergi, for å komme i gang. Dette er like naturlig som at ballen som ligger i skråningen ikke kan rulle dersom den ligger bak en hindring. Den må løftes over hindringen for å komme i gang.

Endoterme reaksjoner

Spalting av vann er en endoterm reaksjon. En reaksjon er endoterm når utgangsstoffene har mindre energi enn produktene. En endoterm reaksjon lagrer kjemisk energi. Denne energien må hele tiden tilføres utgangsstoffene for at de skal reagere. Dette blir som å bære ballen oppover bakken. Den vil ikke rulle dit av seg selv. Når vi spaltet vann, ble energien tilført i form av elektrisk energi. Den elektriske energien sørget for at ionene ble trukket til hver sine elektroder hvor de var nødt å slå seg sammen til mer energirike molekyler, H2 ved den negative og O2 ved den positive elektroden.

4 Sammendrag

5 Kontrollspørsmål

Svartabell. Klikk på riktige svar. Grønt betyr riktig, rødt betyr feil. Nytt vindu

  1. En ren kjemisk forbindelse har ...
  2. En blanding av to eller flere kjemiske forbindelser har ...
  3. At en blanding er heterogen betyr at ...
  4. At en blanding er homogen betyr at ...
  5. Luft består av ...
  6. Når hydrogen brenner i luft dannes det ...
  7. Knallgass er en blanding av ...
  8. Reaksjonen mellom hydrogen og oksygen er
  9. Testen for oksygengass er at ...