Kemi 01: Kovalenta bindningar

Publicerat: 2015-05-18 i Kemi
Etiketter:,

Atomkärnor består av positivt laddade protoner och oladdade neutroner. De omges av en eller flera negativt laddade elektroner så att den sammanlagda elektriska laddningen för atomen i sitt grundstadium är noll. En elektrons massa är ungefär 1/1 800 av protonens och dess bana i storleksordningen 10 000 gånger större kärnans diameter. Den populära uppfattningen är att elektroner kretsar runt atomkärnan ungefär som jorden runt solen. Elektroners banor är inte så entydigt väldefinierade utan beskriver snarare  sannolikheten för var elektroner går att påträffa och brukar ibland liknas vid diffusa moln, luddiga i kanterna.

  • Trots att mycket av det som omger oss kan förefalla mycket påtagligt och solitt är det mesta tomrum.

Atomkärna med elektron

Bildkälla

Den allra enklaste atomen, väte (H, hydrogen), består av en proton samt en enda elektron som kan runda kärnan i flera olika banor på olika avstånd, där den enda långtidsstabila är den allra lägsta, de övriga har högre energi och kallas exciterade. Nästa grundämne är helium, He, där kärnan har två protoner, en eller fler neutroner och två elektroner. Varje nytt grundämne har fler och fler protoner i kärnan och samma antal elektroner i banor utanför. De två lagren utanför det första rymmer från 1 till maximalt 8 elektroner, sedan måste en ny nivå skapas där maximalt 18 elektroner ryms. Inget av de grundämnen som är essentiella (livsnödvändiga) för oss har elektronmoln som kan rymma mer än 18 elektroner. Jod (I) har störst antal protoner, 53, med elektronmoln där det yttersta är nästan fullt, det fattas en.

Ibland kan energin skilja något bland de elektroner som är kandidater för ett yttre moln och då hamnar de med större energi i ett ännu ”högre” moln. Dessa yttersta elektroner, normalt högst 8, bestämmer till stor del ämnets kemiska egenskaper och kallas valenselektroner.

Tumregel: De kemiskt mest reaktiva grundämnena har bara en elektron i yttersta skalet och kallas, förutom väte, alkalimetaller. De stabilaste har yttersta elektronmolnet helt besatt och kallas ädelgaser.

  • Den tyngsta alkalimetallen är Francium, radioaktivt med 22 minuters halveringstid och så kemiskt aktiv att man beräknar att det bara finns cirka 15 gram i hela jordskorpan.

I en kovalent bindning samsas två atomer om ett, två eller tre par elektroner.  När två lämpliga atomer hamnar nog nära varandra kan elektroner från vardera atomen ändra bana och göra svängar runt båda kärnorna istället, exempel på kovalent bundna molekyler är vätgas H2 och syre, O2.

  • Experiment: Blanda två delar vätgas med en del syre i ett provrör till knallgas. Tänd med öppen låga eller en gnista och det blir det en explosion som bildar vatten. Bildskärmsbundna kan googla själva eller titta på Wikipedia och Frågelådan

Det som händer på atom/molekylnivå är ungefär följande: I knallgasblandningen rör sig de olika gasatomerna huller om buller i hastigheter som är helt beroende av temperaturen. Vid rumstemperatur är deras hastigheter såpass måttliga att de aldrig riktigt ”krockar”, de negativt laddade elektronmolnen repellerar varandra och inget särskilt inträffar.

Om vi höjer temperaturen kraftigt någonstans i gasblandningen (till minst 570 grader Celsius) ökar de gasatomernas hastighet mycket kraftigt, elektronerna får högre energi, hamnar i en högre bana, exciteras, och kan ”tappa taget” om sin atomkärna. Den kan då börja cirkla runt mer än en atom, det nya sammanslagna systemets energi sjunker och avger överskottet i form av värme som driver reaktionen vidare. En sådan reaktion kallas exoterm, den avger energi även om man måste tillföra lite till att börja med för att få den att gå igång.

  • Hur lite/mycket energi krävs för att starta reaktionen? En tändsticka kanske, men gör du det med en gnista krävs cirka 20 mikrojoule. Energin i ett ordinärt 1,5V AA-batteri på 2000 mAh kan då, rent teoretiskt, starta över en halv miljard knallgasexplosioner.

Om reaktionen sker i ett provrör ser du hur den utrymmeskrävande gasblandningen sjunker ihop till några vattendroppar, kovalenta bindningar drar samman de nyss utspridda atomerna till kompakta vattendroppar, H2O.

  • Kovalenta bindningar är kraftiga och kräver en hel del tillförd energi för att sära igen.
  • Vattenmolekylen är inte ”rent” kovalent bundet.

Min målsättning: Jag vill försöka lära mig något om den grundläggande kemi som är viktig för mat och metabolism, ämnesomsättning. Ett sätt är att försöka förklara för mig själv så att jag tror att jag förstår. För att öka insatsen avsevärt väljer jag att utmana genom skriva mina tankar här. Om det blir fel eller överförenklat bortom räddning så hoppas jag att eventuella läsare påpekar och rättar så snart som möjligt i kommentarer eller via mail, adressen finns uppe till vänster.

Annonser
kommentarer
  1. […] Kemi 01: Kovalenta bindningar […]

    Gilla

Kommentera

Fyll i dina uppgifter nedan eller klicka på en ikon för att logga in:

WordPress.com Logo

Du kommenterar med ditt WordPress.com-konto. Logga ut / Ändra )

Twitter-bild

Du kommenterar med ditt Twitter-konto. Logga ut / Ändra )

Facebook-foto

Du kommenterar med ditt Facebook-konto. Logga ut / Ändra )

Google+ photo

Du kommenterar med ditt Google+-konto. Logga ut / Ändra )

Ansluter till %s