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.

4F Kjemiske reaksjoner med oksygen

Oksygen (grunnstoff nummer 8 i periodesystemet) er det grunnstoffet det er mest av på jordens overflate. Halvparten av jordskorpens masse, medregnet hav og atmosfære, er oksygen. I universet som helhet er oksygen det tredje vanligste grunnstoffet etter hydrogen og helium.

I jordskorpen inngår oksygen i kjemiske forbindelser med andre grunnstoff (kapittel 4H). Det samme gjelder hav og andre vannmasser, der oksygen er bundet til hydrogen ( figur 16, kapittel 4A ). I Jordens atmosfære derimot, finnes oksygen i fri form. En femtedel av atmosfæren består av oksygengass, O2. Dette oksygenet skyldes plantenes fotosyntese gjennom hundreder av millioner av år. Oksygen er et biprodukt i denne prosessen som blir nærmere gjennomgått i kapittel 4I. Oksygengass fra atmosfæren løser seg i vann slik at oksygen i fri form også finnes i hav, innsjøer og elver.

Oksygen som gass er fargeløs og luktfri, som væske og fast stoff har det svakt blålig farge.

1 Framstilling av oksygen

Industrielt

For industriformål fremstilles oksygen ved avkjøling av luft til gassene blir flytende. Gassene som luften består av har ulike kokepunkt. Dette gjør at de kan skilles fra hverandre ved destillasjon.

Noe oksygen blir også fremstilt ved elektrolyse av vann, men da bare som biprodukt når hydrogen fremstilles ved elektrolyse (samme reaksjon som i kapittel D, forsøk 3 Spalting av vann).

I laboratoriet

I laboratoriet kan oksygen fremstilles ved å varme opp en oksygenholdige forbindelser som lett skiller seg med oksygen. I skolen brukes kaliumpermanganat (KMnO4) til dette. Dette skal vi gjøre i følgende forsøk.

2 Reaksjoner

Påvisning av oksygen

FORSØK 1. PÅVISNING AV OKSYGEN

Utstyr
Vernebriller, stativ, klemme, tynnvegget reagensrør (tåler oppvarming), reagensrør til gassoppsamling, kork med hull og rør, gummislange, glassrør med bøy, glasskål, gassbrenner, fyrstikker, litt bomull, kaliumpermanganat (pulver).

Figur 1. Påvisning av oksygen

Oppstilling som vist i figuren. Litt kaliumpermanganat (KMnO4) has i reagensrøret med tynne vegger. Når pulveret blir oppvarmet, vil det sprute litt oppover i røret. Bomullsdotten skal hindre spruten fra å følge gasstrømmen gjennom rør og slanger til vannet i glasskålen som i så fall ville blitt farget fiolett.

Ha vann i glasskålen og legg det andre reagensrøret nedi slik at det fylles med vann, reis det med åpningen under vann, og hold det over åpningen av det bøyde glassrøret. Vannet i reagensrøret fortrenges av gassen som utvikles fra oppvarmet kaliumpermanganat.

Løft røret opp straks det er fullt av gass og før en glødet treflis inn i røret. Gloen lyser kraftig opp.

Forklaring
Når tre brenner eller gløder trengs det oksygen. En femdel av luften består av oksygen, derfor gløder treflisen i luften etter at vi har varmet opp med fyrsikken. Når vi fører gloen inn i reagensrøret flammer den opp fordi forbrenningsreaksjonen går raskerer i ren oksygengass enn i luft.

Denne oksygentesten utførte vi også i forsøk 3, Spalting av vann, i kapittel 4D.

Det er karbonet (grunnstoff nummer 6) i treflisen som reagerer med oksygen. I neste forsøk skal vi undersøke reaksjonen mellom oksygen og karbon nærmere.

Reaksjon med karbon

Karbon er grunnstoff 6 i det periodiske system og opptrer i mange former. I plante- og dyreriket er karbon en vesentlig bestanddel av alle organismer og finnes der i form av tallrike, såkalte organiske forbindelser. Organiske forbindelser blir gjennomgått i kapittel 4I Livets kjemi.

FORSØK 2. REAKSJONEN MELLOM OKSYGEN OG KARBON

Utstyr
Vernebriller, stativ med klemmer, tynnvegget reagensrør med kork, hull og glassrør, reagensrør til kald væske, forbrenningsrør med to korker med hull og glassrør, to slangebiter (en kort, en litt lengre), vinkelbøyd glassrør, litt bomull, digeltang, gassbrenner, fyrstikker, plastskje, kaliumpermanganat (pulver), trekull.

Figur 2. Reaksjonen mellom oksygen og karbon

Oppstilling og gjennomføring vises i figur 2. Kalkvann er til vanlig en blank væske. I første del av forsøket leder vi oksygengassen gjennom kalkvannet. Ingenting skjer. Men etter at vi har glødet kullbiten og latt den reagere med oksygen, blir kalkvannet gråhvitt og ugjennomsiktig. Vi sier at kalkvannet blir blakket. Bare karbondioksidgass blakker kalkvann.

Reaksjonen mellom oksygen og karbon er eksoterm; sluttproduktet har mindre kjemisk energi enn utgangsstoffene. Energiforskjellen blir omdannet til indre energi. Reaksjonen fører til at temperaturen i sluttproduktet stiger sterkt: . Denne reaksjonen foregår over alt der oksygen reagerer med karbonholdig materiale, dvs. plantemateriale, olje, gass eller kull. Vi sier at stoffet "brenner" eller "forbrenner".

Reaksjonen skjer også i cellene i kroppen vår. Den maten vi spiser inneholder karbohydrater. I cellene reagerer karbohydratene i maten med oksygen - som kommer fra lungene via blodet. Det dannes karbondioksid som fraktes med blodet til lungene der det pustes ut. Ved hjelp av katalysatorer (som i kroppen kalles enzymer) kan denne reaksjonen skje langsomt og ved lave temperaturer. Den indre energien fra reaksjonen brukes til livsprosessene. Dette betyr at det er karbondioksid i luften vi puster ut fra lungene. Det kan vi sjekke ved å blåse utåndingsluft gjennom et rør ned i blankt kalkvann.

Reaksjon med svovel

Svovel er grunnstoff nummer 16 i det periodiske system. Det er et fast stoff med gul farge. Svovel er et viktig grunnstoff for industrielle formål og utvinnes fra vulkanske områder.

FORSØK 3. REAKSJONEN MELLOM OKSYGEN OG SVOVEL

Utstyr
Gassbrenner, fyrstikker, porselenskål, digeltang, gult svovel, stor glasskål, petriskål, blå lakmusløsning. Forsøket bør gjøres i avtrekkskap.

Figur 3. Reaksjonen mellom oksygen og svovel

Ha en bit svovel i en porselenskål og varm opp over gassflammen. Svovelet smelter ganske snart og etter ytterligere oppvarming antenner det og brenner med en blå flamme. Vi kan slukke gassbrenneren. Reaksjonen er eksoterm, derfor vil svovel fortsette å brenne i luft når den først er antent, og temperaturen vil være høy, mye høyere enn antennelsestemperaturen.

Vi fyller vann i petriskålen og tilsetter noen dråper blå lakmusløsning. Deretter setter vi porselensskålen med det brennende svovelet inntil petriskålen. Den store glasskålen settes med åpningen ned over de to små skålene. Etter kort tid blir vannet i petriskålen rødt. Vannet er blitt surt. Svoveldioksid, vann og oksygen har reagert til svovelsyre:

Dersom vi lar svovelet brenne litt utenfor avtrekkskapet, vil vi merke at gassen har en stikkende lukt. Når den kommer i kontakt med slimhinnene våre i munn og nese, vil den reagere med vannet der. Svovelsyren som dannes skaper sterk irritasjon. I større konsentrasjoner vil svoveldioksid derfor være svært farlig.

Svovel og "sur nedbør"
Jordolje fra de aller fleste oljefelt inneholder noe svovel, oppløst i oljen. Når jordoljen skal raffineres til bensin, diesel og fyringsolje følger svovelet med. Når oljeproduktene brenner, brenner også svovelet, og dermed dannes det svoveldioksid. Når svoveldioksidgassen slipper ut i lufta sammen med bileksos og industrirøyk, reagerer den med vannet i lufta til svovelsyre. Regn og snø får dermed lav pH. Dette er en viktig del av den sure nedbøren som skaper store miljøproblemer i mange områder, særlig i Europa, østlige USA og Kina.

Figur 4. Forsuring av vassdrag i Norge og Europa

Reaksjon med magnesium

Magnesium er grunnstoff 12 i det periodiske system. Det er et sølvhvitt og glinsende metall med lav massetetthet (1,7 g/cm3) og stor styrke i forhold til vekt. Det brukes mye i legering med andre metaller.

FORSØK 4. REAKSJONEN MELLOM OKSYGEN OG MAGNESIUM

Utstyr
Vernebriller, gassbrenner, fyrstikker, digeltang, magnesiumbånd.

Figur 5. Reaksjonen mellom oksygen og magnesium

Klipp av ca. 5 cm magnesiumbånd og hold det i gassflammen med digeltangen. Det tar straks fyr og brenner med et intenst hvitt lys. Lyset kan være skadelig for øynene, så se litt til siden. Når båndet har brent opp, har vi fått et hvitt pulver, magnesiumoksid (MgO):

Magnesium er ikke brannfarlig i form av større, kompakte metallstykker. For å få det til å brenne slik vi ser her, må vi ha pulver, spon eller bånd. Overflaten må være stor i forhold til volumet.

Oksygen danner forbindelse med alle metaller, men få reagerer så sterkt som magnesium. Nå skal vi prøve å få kobber til å brenne.

Reaksjon med kobber

Kobber er grunnstoff 29 i det periodiske system. Kobber har en karakteristisk rødbrun farge og er det eneste fargede metallet ved siden av gull. Kobber leder strøm ekstra godt og brukes derfor i elektriske ledninger.

Dersom vi holder en kobberplate i gassflammen, ser vi at den får et svart belegg. Det har skjedd en reaksjon. Reaksjonen går lettere dersom vi har kobber i pulverform.

FORSØK 5 : REAKSJONEN MELLOM OKSYGEN OG KOBBER

Utstyr
Vernebriller, gassbrenner, fyrsikker, tynnvegget reagensrør, kobberpulver, plastskje.

Figur 6. Reaksjonen mellom oksygen og kobber

Vi varmer opp litt rødbrunt kobberpulver i reagensrøret. Det går over til et svart stoff. Her får vi ikke lysutvikling, men det har likevel skjedd en kjemisk reaksjon mellom oksygen i luften og kobberet:

Støveksplosjon

Ved å finfordele brennbart stoff økes kontaktflaten mellom stoffet og oksygenet i luften. Det gjør at reaksjonshastigheten øker. Dermed kan vi antenne stoff som ellers er vanskelig å få til å brenne. Dersom stoffet i utgangspunktet er brennbart, vil en tett støvsky brenne med eksplosjonsartet hastighet. Faren for slik støveksplosjon er til stede på mange arbeidsplasser der støv eller pulver fra materialer som kull, mel, tre eller metall hvirvles opp og blandes med luft.

FORSØK 6 : STØVEKSPLOSJON

Det latinske navnet på planten myk kråkefot er lycopodium clavatum. Det er en sporeplante. Sporepulveret fra denne planten kalles lycopodiumpulver.

Utstyr
Vernebriller, lycopodiumpulver, plastskje, fyrsikker.

Figur 7. Forsøk med lycopodiumpulver

Lycopodiumpulver består av uhyre små partikler, plantesporer. Legg litt pulver på et ildfast underlag og forsøk å tenne på med en fyrstikk. Det går ikke. Pulveret er egentlig brennbart, det består hovedsakelig av cellullose og stivelse, men luft (med oksygen) kommer ikke til mellom de små kornene. Og uten oksygen, ingen reaksjon.

Vi holder håndflaten opp og setter en fyrstikk, med svovelet opp, innerst i kroken mellom peke- og langfinger. Så legger vi en strøken teskje pulver i håndflaten. Med en annen fyrstikk tenner vi svovelet på fyrstikken som står opp fra håndflaten. Med en rask opp- og nedbevegelse kaster vi pulveret opp i luften og gjennom fyrstikkflammen.

Nå var det rikelig med luft mellom pulverpartiklene og vi får en rask forbrenning av hele pulvermengden.

Reaksjon med hydrogen

Reaksjonen mellom oksygen og hydrogen hører også med i dette kapittelet, men er grundig gjennomgått i kapittel 4D da vi fortalte om kjemiske reaksjoner i sin alminnelighet. Her skal vi bare minne om at også denne reaksjonen er eksoterm - i likhet med alle de reaksjonene med oksygen vi kaller "forbrenningsreaksjoner".

3 Oksidasjon og reduksjon

Begrepene oksidasjon og reduksjon ble innført av Antoine Lavoisier i 1777 da han innførte dem for å forklare forbrenningsreaksjoner, det vil si reaksjoner mellom brennbare stoff og luftens oksygen. Han var den første som forsto at luft er en blanding av to gasser og at stoff som brenner binder seg kjemisk til den ene av disse gassene. Denne gassen kalte han oksygen. Lavoisier definerte da oksidasjon som det at et stoff tar opp oksygen. Forbrenning av karbon er et eksempel, karbon blir oksidert: . Når et stoff mister oksygen kalte han det for reduksjon. Her blir karbon redusert:

Senere, på 1900-tallet, forsto man mekanismen i disse reaksjonene: Oksygen mangler to elektroner for å få fullt sett av valenselektroner og har derfor sterk tendens til å trekke til seg elektroner. Oksygen binder seg kjemisk til det andre stoffet ved å trekke en del av dette stoffets elektronsky over mot sin egen kjerne. Dermed oppstår elektrisk tiltrekningskrefter mellom oksygenatomet, som nå har overskudd på negativ ladning, og det andre stoffet, som har sitter igjen med overskudd av postiv ladning. Stoffet er blitt oksidert - "bundet til oksygen".

Men samtidig oppdaget man at de fleste kjemiske reaksjoner bygger på akkurat den samme mekanismen. Stoffer med ulik tendens til å trekke til seg elektroner, danner kjemisk forbindelse ved å utveksle elektroner. Dermed oppstår elektriske tiltrekningskrefter som binder atomene sammen. Ved fullstendig elektronovergang dannes ionebinding, ved delvis overgang (skjev fordeling av felles elektronsky) dannes en mellomting mellom ionebinding og kovalent binding, en såkalt polar kovalent binding.

Dermed ble definisjonen av oksidasjon og reduksjon utvidet til å omfatte alle reaksjoner der elektroner blir helt eller delvis utvekslet mellom de reagerende stoffene.

Redoksreaksjoner

I dag betyr oksidasjon å bli mer positiv (miste elektroner) mens reduksjon betyr å bli mer negativ (få elektroner). I enhver kjemisk reaksjon vil begge deler måtte skje samtidig og i like stor grad: Et stoff mister like mange/mye elektroner som det andre stoffet mottar. Eller sagt på en annen måte: Et stoff blir like mye redusert som et annet blir oksidert. Denne typen reaksjoner kunne vi derfor kalle reduksjons-oksidasjonsreaksjoner, et alt for langt navn. I stedet er det forkortet til redoksreaksjoner.

Ser vi igjen på reaksjonen , så er dette en redoksreaksjon der blir karbon blir oksidert mens oksygen blir blir redusert.

Figur 8. Elektronovergang i reaksjonen mellom oksygen og karbon

Reaksjoner som ikke er redoksreaksjoner

Reaksjoner som resulterer i en ikke-polar kovalent binding, er ikke redoksreaksjoner. Her er det ingen atomer som får endret elektrisk ladning. Syre-basereaksjoner er heller ikke redoksreaksjoner, selv om reaksjonen fører til endringer i elektrisk ladning. Her er det nemlig ikke elektroner som utveksles mellom de reagerende stoffene, men hydrogenkjerner, det vil si protoner, med sin positive ladning.

Men, ved elektrolyse av løsninger som inneholder ioner (også syrer og baser) vil reaksjonen ved elektrodene være redoksreaksjoner. Her blir jo elektroner utvekslet mellom ion og elektrode.

4 Sammendrag

5 Kontrollspørsmål

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

Når du er ferdig, skal 9 ruter være grønne. Greier du å unngå de røde?

  1. Oksygen er det tredje vanligste grunnstoffet i ...
  2. Blankt kalkvann blir blakket av ...
  3. Reaksjonen mellom oksygen og karbon er ...
  4. Hvilket av disse stoffene finnes i sur nedbør?
  5. Oksygen kan danne forbindelse med ...
  6. For å utløse en støveksplosjon trengs ...
  7. Hvilket stoff blir redusert i reaksjonen ?