3. kafli Samsetning efnis: atóm, sameindir og jónir

1. 3. kafliSamsetning efnis: atóm, sameindir og jónir Atóm og sameindir Hrein efni og efnablöndur Atómið Sætistala og samsætur Atómmassi og massatala Lotukerfið Rýnt í lotukerfið Jónir Efnabreytingar Um hleðslur jóna og nafngiftir Efnismagn

2. Atóm og sameindir • Í efnafræði er hverju frumefni gefið tákn, sem er annaðhvort stakur stór bókstafur eða stór bókstafur + lítill bókstafur. Dæmi: H (vetni), He (helíum). • Atóm er minnsta magn frumefnis sem getur staðið sjálfstætt. • Frumefni er efni gert • úr einni tegund atóma • Sameind er gerð úr tveimur eða fleiri atómum

3. Efnasamband er samsett úr atómum tveggja eða fleiri frumefna. Dæmi: • Vatn H2O, NaCl, CO3, CaCO3 • Efnablanda er efni sem er samsett úr tveimur eða fleiri sameindum eða efnasamböndum. • Einsleit efnablanda hefur sömu eiginleika alls staðar í blöndunni. Dæmi: • kranavatn, kók, messing. • Misleit efnablanda hefur ekki sömu eiginleika alls staðar í blöndunni. Dæmi • Súpa, grjónagrautur með rúsínum

4. Atómið Sagan ! • Forngrikkir: atómið er ósundranleg heild sem inniheldur ekkert • Dalton: (1807)Atómið er örsmáar kúlulaga agnir • Rutherford: (1911) Tvær tegundir agna eru í atóminu. Massi atómsins er að mestu í jákvætt hlöðnum kjarna (róteindir). Rafeindir staðsettar langt frá kjarna • Chadwick: Kjarni atóma hefur tvær tegundir agna, róteindir og óhlaðnar nifteindir.

5. Atómið Í kjarna atóms eru aðallega tvær tegundir agna, + (jákvætt) hlaðnar róteindir og óhlaðnar nifteindir, oftast álíka margar og róteindirnar. Nær allur massi atómsins er í kjarna. Umhverfis atómið snýst - (mínus) hlaðin rafeind, oftast álíka margar og róteindirnar. Massi einnar róteindar og nifteindar er nánast sá sami. Í efnafræði er massi einnar róteindar 1u, ein atómmassaeining. Massi einnar refeindar er það lítill að við reiknum hann ekki með þegar við reiknum massa atómsins. Atómið er að mestu leiti tómarúm.

6. Samsætur og sætistölur • Það sem einkennir hvert frumefni er fjöldi róteinda í kjarna. • Sérhvert frumefni hefur númer frá einum upp í 109, sem fer eftir fjölda róteinda. Þetta er kallað sætistala. Dæmi: • súrefni hefur sætistölu 8 sem þýðir 8 róteindir í kjarna. • Massi atóms er samanlagður fjöldi róteinda og nifteinda • Fjöldi nifteinda er oftast sá sami og róteinda, en getur stundum verið breytilegur. Þessi breytileiki veldur því m.a. að massi (þungi) atóma af sömu gerð er breytilegur. • Atóm með breytilegan fjölda nifteinda kallast samsætur.

7. Atómmassi og massatala • Massatala er heildarfjöldi öreinda í kjarna atóms. • Allar minnstu einingar atómsins eru kallaðar einu nafni öreind • Sameindamassi er heildarmassi þeirra atóma sem mynda viðkomandi efni.

8. Lotukerfið • Dimitri Mendelejeff: 1869 Lotukerfið. Þá voru þekkt 63 frumefni. • Með lotukerfinu komst regla á röðun frumefnanna. Hver flokkur hafði sína ákveðnu eiginleika. Efnafræðilegir og eðlisfræðilegir eiginleikar frumefna breytast með lotubundnum hætti í samræmi við atómmassa þeirra. • Efnum raðað eftir hækkandi sætistölu (fjölda rótenda). Láréttu raðirnar kallast lotur, en lóðréttu raðirnar flokkar • Venjulega hafa atóm jafn margar rafeindir og róteindir. • Rafeindir skipa sér á skipulagðar brautir umhverfis atómið, svonefnd hvolf. • Rafeindaskipun atóms leitar eftir mesta stöðugleika með efnahvörfum með því ná rafeindaskipan eðallofttegunda (flokkur VIII). Stöðugustu atómin hafa því rafeindafjöldann 2, 10, 18, 36, 54

9. Lotukerfið

10. Rýnt í Lotukerfið Eðalgastegundir Málmleysingjar Hvarfgjarnir málmar Tregir málmar Hliðarmálmar Lanþaníðar Aktíníðar

11. Málmar eða málmleysingjar • Frumefnum skipt í tvo meginflokka: • Málmar eða málmleysingjar • Málmar yfirleitt föst efni við stofuhita en margir málmleysingjar lofttegundir • Málmar hafa gljáandi áferð, en málmleysingjar ekki og bera ýmsa liti • Málmar oft sveigjalegir en málmleysingjar stökk efni • Málmar leiða yfirleitt vel rafmagn en fæstir málmleysingjar

12. Rýnt í lotukerfið • Flokkar frumefna eftir eiginleikum: • Hvarfgjarnir málmar. Mjög hvarfgjarnir og eru mjög virkir í efnahvörfum • 1. flokkur Alkalímálmar • 2. flokkur Jarðalkalímálmar • Hliðarmálmar. Eru oft frekar stöðugir. Flestir frumefni sem við þekkjum sem málma, t.d. járn, kopar, gull. • Tregir málmar. Líkjast málmum, en eru oft e.k. blanda milli málma og málmleysingja. Leiða oft straum en ekki mjög vel. • Málmleysingjar. Mjög sundurleitur hópur sem hefur ekki málmeiginleika, og myndar stundum lofttegundir við náttúrlegar aðstæður. • 7. flokkur Halógenar • 8. flokkur Eðalgastegundir ganga mjög treglega í efnasambönd við önnur efni

13. Jónir • Atóm og sameindir hafa stundum þá eiginleka að geta gefið frá sér eða tekið til sín rafeindir. • Ef þau taka til sín rafeind (sem er – hlaðin) verða þau – hlaðin. • Ef þau gefa frá sér rafeind verða þau + hlaðin af því að þau hafa misst eina – hleðslu. • Þegar við tölum um jónir, er yfirleitt átt við sameind sem er uppleyst í vatni. • Atóm vinstra megin í lotukerfinu og málmar hafa tilhnegingu til að gefa frá sér rafeind og verða + hlaðin. Atómin hægra mengin í lotukerfinu vilja taka til sín rafeind og verða – hlaðin. • Þegar frumefni verða að jónum eða tengjast öðrum efnum, leitast þau við að fá sömu rafeindaskipan og eðallofttegundir. (Svokölluð átturegla).

14. Jónir frh. • Rafeindir á ysta hveli eru kallaðar gildisrafeindir, og hægt er að telja þær frá vinstri til hægri í lotukerfinu í þeirri línu sem efnið er þar. Dæmi: • Súrefni O hefur 6 gildisrafeindir (vantar 2) • Magníum Mg hefur 2 gildisrafeindir (vill gefa þær frá sér) • Klór Cl hefur 7 gildisrafeindir (vantar 1) • Natríum hefur 1 gildisrafeind (vill gefa hana frá sér) • Þegar efni hefur tekið til sín rafeind er það táknað með – fyrir aftan efnatákniðm en með + ef það hefur gefið frá sér rafeind. Dæmi: • H+ hefur gefið frá sér eina rafeind • Cl- hefur tekið til sín eina rafeind

15. Jónefni • Við einföld efnahvörf hvarfast yfirleitt saman efni sem gefa frá sér rafeind og þau sem taka til sín rafeind. • Með því að þekkja eiginleika lotukerfisins er hægt að spá fyrir um þessa eiginleika. Þannig t.d. “vill” Na ( natríum) gefa frá sér eina rafeind, en Cl (klór) gefa frá sér eina rafeind. Þessi efni hvarfast því auðveldlega saman. • Na + Cl → NaCl (matarsalt) • Flest efni sem hvarfast á þennan hátt eru kölluð jónefni. • Jónefni leystast flest auðveldlega upp í vatni. • Fjöldi rafeinda sem efni gefa frá sér þarf aðvera sá sami og annað efni vill taka til sín.

16. Sameindajónir • Margar sameindir (efni sem er samsett úr fleiri en einu atómi) geta líka gefið frá sér eða tekið til sín rafeindir og myndað jónir. • Sameindaefni geta myndað jónir með því t.d. að gefa frá sér róteind eða klofna niður í vatni. • Dæmi um algengar sameindajónir: Upplýsingar um jónir oftast teknar úr jónatöflum (Ath. bls. 225)

17. Efnabreytingar Hægt er að skipta efnabreytingum í 3 flokka. • Ástandsbreyting • fast efni (s) • fljótandi (l) • lofttegund (g) • Efnahvörf • Eitt (eða fleiri) efni breytist í annað efni (eða fleiri) við endurröðun atóma. Þau efni sem taka breytingum og hvarfast (vinstra megin í efnajöfnunni) eru kölluð hvarfefni, en þau efni sem myndast eru kölluð myndefni. • Kjarnahvörf • Breytingar á uppbyggingu atóma vegna geislvirkni.

18. Formúlur og stuðlar í efnaformúlum • Vatn er táknað með efnaformúlunni H2O, þar sem bókstafirnir H tákna frumefnið vetni, O táknar frumefnið súrefni, og 2 táknar hlutfall efnisins (sem kemur á undan tölunni) í efnaformúlunni. • Ef tala kemur á undan efnaformúlunni, t.d. 2 H2O, táknar það hlutfallslegan fjölda sameindarinnar í efnaformúlunni, Stuðull efnis í formúlunni. Dæmi: 2H2 + O2 → 2H2O sem þýðir að það þarf tvær vetnissameindir og eina súrefnissameind til að mynda tvær vatnssameindir.

19. Ástandsform efna • Hægt er að tákna í efnaformúlu hvert ástandsform efna er. fast efni er táknað með (s) (enska: solid) fljótandi er táknað með (l) (enska : liquid) Lofttegund er táknað með (g) (enska : gas) Uppleyst í vatni er táknað með (aq) (latína/enska : aqua ) Dæmi: tvær lofttegundir mynda vatn: 2H2(g) + O2(g) → 2H2O(l) Dæmi: Natríum málmur og klórgas mynda matarsalt: Na(s) + Cl(g) → NaCl(s)

20. Nöfn og hleðsla nokkurra algengra jóna • Margar algengar jónir heita sérstökum nöfnum. • Þær geta verið bæði + eða – hlaðnar. • Það er heppilegt að læra nöfn þeirra algengustu. Þær geta haft mismunandi hleðslu. • Algengt er að nota jónatöflur (bls. 225). • Dæmi um nokkrar algengar jónir eru: • Mörg efni eru samsett úr tveimur eða fleir jónum. Athuga að hleðsla + jóna og – jóna þarf að vera sú sama (samanlögð hleðsla samsetta efnissins þarf að vera 0.

21. Leysni • Þegar efni er leyst upp í vatni er: • Efnið sem leyst er upp í (oftast vatn) kallað leysir • Efnið sem leyst er upp er kallað leyst efni • Svona blanda er kölluð lausn. • Leysni efnis er miðuð við hve mikið magn af efni er hægt að leysa upp í 100 g af vökva (við tiltekinn hita). • Lausn er mettuð þegar ekki er hægt að leysa meira upp af efninu • Þegar meira er af efni en þarf til að metta lausnina, er lausnin sögð yfirmettuð og efnið fellur til botns (botnfall). • Ef lausn getur tekið við viðkomandi efni á þess að yfirmettast er lausnin ómettuð. • Efni sem leysast vel upp eru sögð auðleyst • Efni sem leysast illa upp eru sögð torleyst

22. Efnismagn (Mól) • Atómmassi atóms er lesið úr lotukerfinu • Formúlumassi eða mólmassi sameinda er samanlagður massi atóma í sameindinni. • Hugtakið mól: Atómmassi vetnis er 1, og einingin er g/mól. • Ef hægt væri að telja fjölda atóma í 1 g af vetnisatómum væri fjöldi þeirra • Fjöldi atóma í 1 móli er 6,02 · 1023 massi (í grömmum) mólmassi mólfjöldi =