Att vara kemisk detektiv

Kemisk bakgrund

Salters sammansättning

Kemiska formler och namn kan ibland upplevas som obegripliga. Man när vi här arbetar med gruppen salter är det enkelt. Man kan säga att saltföreningen har ett "förnamn" och ett "efternamn" och det kan man även känna igen på formeln.

"Förnamnet" är en positivt laddad jon (oftast en metalljon):

Na+	= natriumjon
Cu2+	= kopparjon
Fe3+	= järn(III)jon

"Efternamnet" är en negativt laddad jon (oftast ickemetalljon):

Cl-	= kloridjon
NO3-	= nitratjon
OH-	= hydroxidjon
SO42-	= sulfatjon

Kombineras "förnamnet" och "efternamnet" fås detta:

Na+	+ Cl-	→ NaCl	(natriumklorid)
Cu2+	+ SO42-	→ CuSO4	(koppar(II)sulfat)
Na+	+ OH-	→ NaOH	(natriumhydroxid)
Fe3+	+ 3 Cl-	→ FeCl3	(järn(III)klorid)
Na+	+ NO3-	→ NaNO3	(natriumnitrat)
Cu2+	+ 2 NO3-	→ Cu(NO3)2	(koppar(II)nitrat)

Reaktioner med reagenslösningarna

Tillsats av silvernitrat

Tillsatsen av silverjoner, AgNO₃, till provlösningarna visar att endast de lösningar som innehåller den negativa jonen Cl-, kloridjon ger en vit fällning. Den vita fällningen är silverklorid, AgCl(s).

Bild: © Svante Åberg

AgNO3(aq)	+ NaCl(aq)	→ AgCl(s)	+ Na+	+ NO3-
3 AgNO3(aq)	+ FeCl3(aq)	→ 3 AgCl(s)	+ Fe3+	+ 3 NO3-
2 AgNO3(aq)	+ CuCl2(aq)	→ 2 AgCl(s)	+ Cu2+	+ 2 NO3-

Tillsats av bariumklorid

När BaCl₂ tillsätts till de nio provrörslösningarna visar det sig att endast de som innehåller den negativa jonen SO₄^2-, sulfatjon får en vit fällning. Den vita fällningen vid denna analys är bariumsulfat, BaSO₄(s).

Bild: © Svante Åberg

BaCl2(aq)	+ CuSO4(aq)	→  BaSO4(s)	+ Cu2+	+ 2 Cl-
BaCl2(aq)	+ FeSO4(aq)	→  BaSO4(s)	+ Fe2+	+ 2 Cl-
BaCl2(aq)	+ Na2SO4(aq)	→  BaSO4(s)	+ 2 Na+	+ 2 Cl-

Hur påvisas positivt laddade metalljoner?

Tillsats av natriumhydroxid, NaOH, till provrörslösningarna visar

Bild: © Svante Åberg

• Lösningar som ger blå fällning hade "förnamnet" Cu²⁺ (kopparjon). Fällningen blir således kopparhydroxid, Cu(OH)₂(s).
  

  2 NaOH(aq)	+ CuCl2(aq)	→  Cu(OH)2(s)	+ 2 Na+	+ 2 Cl-
  2 NaOH(aq)	+ CuSO4(aq)	→  Cu(OH)2(s)	+ 2 Na+	+ SO42-
  2 NaOH(aq)	+ Cu(NO3)2(aq)	→  Cu(OH)2(s)	+ 2 Na+	+ 2 NO3-

• Lösningar som ger brun fällning hade "förnamnet" Fe³⁺ (järn(III)jon). Fällningen blir således järn(III)hydroxid, Fe(OH)₃(s).
  

  3 NaOH(aq)	+ FeCl3(aq)	→  Fe(OH)3(s)	+ 3 Na+	+ 3 Cl-
  3 NaOH(aq)	+ Fe(NO3)3(aq)	→  Fe(OH)3(s)	+ 3 Na+	+ 3 Cl-

• Lösningar som ger svart fällning hade "förnamnet" Fe²⁺ (järn(II)jon). Fällningen blir således järn(II)hydroxid, Fe(OH)2(s).
  

  2 NaOH(aq)

  + FeCl2(aq)

  →  Fe(OH)2(s)

  + 2 Na+

  + 2 Cl-

Fasta jonföreningar

I fasta jonföreningar hålls jonerna samman av sina motsatta elektriska laddningar. Varje katjon (positiv jon) attraherar flera anjoner (negativa joner) och tvärtom. Jonerna bygger upp en gigantisk jonkristall som består av ett mycket stort antal joner i bestämda lägen. I kristallen är strukturen ordnad i en bestämd kristallstruktur.

Ett av de enklaste exemplen på en jonkristall är natriumklorid, NaCl. I natriumkloridkristallen omges varje Na⁺ jon av sex Cl^- joner, och varje Cl^- jon av sex Na⁺ joner. Varje Na⁺ jon attraheras av de sex Cl^- jonerna omkring den, men repelleras av andra Na⁺ joner som finns lite längre bort, och attraheras av nästa omgång Cl^- joner som är ännu längre bort, och så vidare. Man får en oändlig följd av attraktioner och repulsioner, men totalt sett blir attraktionerna starkare än repulsionerna, och detta håller ihop kristallen. I själva verket hålls den ihop mycket starkt, vilket är skälet till att jonföreningar är hårda och har höga smält- och kokpunkter.

De är viktigt at inse att en fast jonförening som NaCl inte består av ett par av Na+ joner och Cl^- joner eller av NaCl-molekyler, utan av en kristall med ett mycket stort antal av Na⁺ joner och Cl^- joner. Anordningen ger kristallen det kubiska utseendet, som man kan iaktta hos NaCl -kristaller.

Mönstret i en jonkristall måste passa ihop med antalet joner av olika slag och med jonernas storlek. Samma kubiska struktur som hos natriumklorid finns också hos en del andra jonföreningar som kaliumfluorid och litiumklorid. Många jonföreningar har mer komplicerad uppbyggnad. Man kan inte avgöra jonkristallens struktur utifrån saltet kemiska formel.

Jonföreningar i vatten

Jonerna omges av ett skal av vattenmolekyler

Bild: © Svante Åberg

Många jonföreningar är lösliga i vatten. Jonerna attraherar vattenmolekyler och blir hydratiserade. De hydratiserande jonerna vandrar ut i lösningen där de sprids på ett oordnat sätt. Bilden visar detta för natriumklorid. De hydratiserade jonerna betecknas Na⁺(aq) och Cl^-(aq), där (aq) betyder att jonerna finns i en vattenlösning. Beteckningen talar inte om hur många vattenmolekyler som omger varje jon.

Den hydratiserade jonen blir större än den ursprungliga, eftersom den får ett lager av vattenmolekyler runt omkring sig. Ju mindre jonen är och ju högre laddning den har, desto starkare attraherar den vattenmolekyler och desto fler vattenmolekyler kan den attrahera.

Om en vattenlösning av en jonförening får indunsta, avgår vattnet som vattenånga. Jonerna kan åter bindas till varandra och bygga upp ett salt. Ibland kan bindningarna mellan jonerna och vattenmolekylerna vara så starka att alla vattenmolekyler inte bortgår i gasform. Den nya fasta jonföreningen kommer då att byggas upp av joner och vattenmolekyler tillsammans.

Vattenmolekyler som binds till joner i ett fast salt kallas kristallvatten. Vattenmolekylerna är inordnade på bestämda platser i jonkristallen liksom de ingående jonerna. Kemiska formeln för en jonförening med kristallvatten brukas skrivas exempelvis MgCl₂·6H₂O. Detta betyder, att varje formelenhet av förening innehåller 1 Mg²⁺-jon, 2 Cl^--joner och 6 vattenmolekyler.

Närvaron av kristallvatten ger jonföreningar andra egenskaper. Ett exempel på ändrade egenskaper är koppersulfat och kristallvatten, CuSO₄·5 H₂O, är blått till färgen medan däremot kopparsulfat utan kristallvatten är gråvitt.

Reaktionsformler med joner

Joner i vattenlösning reagerar också med varandra. Om man till exempel blandar en natriumkloridlösning med en lösning av silvernitrat, får man vit, fast silverklorid. Silverjoner Ag⁺, och kloridjoner, Cl^-, slår sig samman och bildar en svårlöslig förening som faller ut som vit fällning. Vi kan skriva reaktionsformeln för denna reaktion. Natriumkloridlösning innehåller Na⁺(aq) och Cl^-(aq), och silvernitratlösningen innehåller Ag⁺(aq) och NO₃^-(aq). Reaktionsformeln blir:

Na+(aq) och Cl-(aq)	+ Ag+(aq) och NO3-(aq)	→	AgCl(s)	+ Na+(aq) och NO3-(aq)
natriumkloridlösning	silvernitratlösning		silverklorid	joner kvar i lösningen

Jonföreningars och formlers namn

För att skriva formeln för en jonförening måste man känna till de enskilda jonernas formel och laddning. Om det är en fråga om atomjoner, dvs. joner som består av en enda laddad atom, kan man ofta komma fram till jonladdningen med hjälp av det periodiska systemet.

Jonföreningar kallas också salter. Ett fast salt har ingen nettoladdning och det måste därför innehålla lika många positiva och negativa laddningar. När man skriver formeln för saltet måste man därför balansera jonernas laddning mot varandra så att totala laddningen blir noll. I formeln för saltet skrivs den positiva jonen först. De enskilda jonernas laddning sätts inte ut i formeln. Här följer exempel på hur man kan skriva en formel:

Natriumsulfat innehåller , Na⁺, och sulfatjoner, SO₄^2-. Sulfatjonerna är en sammansatt jon, där en svavelatom och fyra syreatomer binds ihop till en laddad enhet. På grund av de olika laddningarna måste saltet innehålla dubbelt så många natriumjoner som sulfatjoner. Formeln blir alltså Na₂SO₄.

Namnet på en jonförening anges med den positiva jonens namn först. För namnen på de negativa jonerna gäller att negativa atomjoner har namn som slutar på –id, exempelvis klorid Cl^- och oxid O^2-. Sammansatta negativa joner har ofta namn som slutar på –at, exempelvis nitrat NO^3- och karbonat CO₃^2-.

Ibland kan ett visst atomslag bilda flera joner. Detta gäller i synnerhet grundämnena i grupperna 3-12. Exempelvis kan järn bilda de två jonerna Fe²⁺ och Fe³⁺ . För att skilja på föreningarna FeCl₂ (med Fe²⁺-joner) och FeCl₃ (med Fe³⁺-joner) kan man använda oxidationstalet (som ofta är detsamma som jonladdningen). De två jonföreningarna kallas järn(II)klorid respektive järn(III)klorid. De romerska siffrorna II respektive III anger oxidationstalet som här är detsamma som jonladdningen hos järnjonerna.

Kriminalteknikerna tar fingeravtryck med silverjoner

En metod att framkalla fingeravtryck är med silvernitrat löst i vatten eller etanol. Lösningen sprayas på det misstänkta avtrycket. Silverjonerna reagerar med salterna från svetten som fingret avsatt enligt reaktionen Ag⁺ + Cl^- → AgCl(s). Det här är en utfällningsreaktion där silverjonerna reagerar selektivt med kloridjonerna i svetten.

Men avtrycket är fortfarande osynligt. Först låter man avtrycket torka. Sedan bestrålas det med UV-ljus. Det leder till att silverjonerna reduceras till partiklar av gediget silver. Reaktionen är Ag⁺ → Ag(s) + e^-. Silverpartiklarna är mycket små och ser därför svarta ut eftersom de absorberar ljuset. Reaktionen med silverklorid och framkallningen till silverpartiklar är i princip samma som utnyttjas i svart-vit fotografi. Skillnaden är att i svartvill foto så används framkallningsvätska för det sista steget när fotot blir framkallas.

Fördjupning

Löslighet

När atomer eller molekyler av ett ämne blandas på atom-/jon-/molekylnivå med ett annat ämne, så säger man att ämnet löser sig. Både fasta, flytande och gasformiga ämnen kan gå i lösning på detta sätt. Ämnet som tar emot partiklarna som löser sig, och som förekommer i större mängd, kallas lösningsmedel.

Exempel på lösningar är:

• syrgas i vatten (gasformigt ämne löst i vätska)
• salt i vatten (fast ämne löst i vätska)
• zink i koppar (fast ämne löst i ett fast ämne)
• väte i platina (gas löst i fast ämne)
• metan i luft (gas löst i gasformigt ämne)

En lösning behöver alltså inte vara en vätska. Det finns både fasta, flytande och gasformiga lösningar.

Begränsad löslighet

Ofta är lösligheten begränsad. Det har att göra med den jämvikt som uppstår mellan ämnet i lösning och samma ämne i ren form. Till exempel löser sig koksalt i vatten upp till 36 g per 100 ml (motsvarande 26 vikts-%) vid 20 °C.

Jonerna i den fasta natriumkloriden löser sig med jämn hastighet, vilket tenderar till att öka koncentrationen av löst ämne. Men den motsatta reaktioner sker också. Natrium- och kloridjonerna i lösningen faller ut som fast natriumklorid. Den hastighet med vilken saltet faller ut beror på hur ofta natrium- och kloridjoner stöter på varandra i lösningen. Därför ökar utfällningen av salt med koncentrationen i natriumkloridlösningen. Vid 26 vikts-% NaCl är utfällningen lika snabb som upplösningen av koksaltet. Då sker ingen nettoförändring. Man har en dynamisk jämvikt där lösningen är mättad, dvs. innehåller maximal mängd koksalt.

Utfällning

Utfällning är den process som gör att ett löst ämne övergår till fast form och bildar en egen, fast fas. Det ämne som bildar fast form kallas helt enkelt fällning. Vätskan som blir kvar kallas med ett finare ord för supernat.

Orsaken till att fällning bildas är alltid att lösligheten för ämnet överskrids. Men vad som gör att lösligheten överskrids kan bero på flera saker:

• Kemisk reaktion: Exempelvis reagerar silverjoner med kloridjoner till svårlöslig silverklorid när lösningar av silvernitrat och natriumklorid blandas.
• Temperatur: Om man har en mättad lösning av exempelvis kaliumnitrat vid 20 °C så innehåller den 31.6 g/100 ml. Om lösningen kyls till 0 °C så minskar lösligheten till 13.3 g/100 ml. Överskottet faller ut som fast kaliumnitrat.
• Avdunstning: Om till exempel en mättad lösning av koksalt (natriumklorid) får stå öppet och avdunsta, så minskar mängden lösningsmedel (vatten). Det betyder att den maximala koncentrationen överskrids. Den maximala koncentrationen i lösning bibehålls genom att koksalt faller ut.
• Lösningsmedlets polaritet: Om vi exempelvis har en mättad lösning av koksalt i vatten och tillsätter rödsprit (innehåller etanol), så kommer koksalt att falla ut. Vattnet är ett mycket polärt lösningsmedel som därför löser salter bra. Etanol är inte lika polärt. Ju mer etanol som blandas i, desto lägre blir polariteten hos lösningsmedlet. Då minskar lösligheten för koksaltet och det faller ut.

Det händer att de utfällda partiklarna är så små att de inte sjunker till botten inom rimlig tid. Då får man en suspension som känns igen på att den är grumlig. Men om man centrifugerar suspensionen, så kan man få fällningen att sjunka till botten. Ovanför finns då den klara lösningen.

material på grundnivå kommer att läggas in här

Reagens för kemisk analys

I analytisk kemi är reagens är ett ämne som används för att påvisa förekomsten påvisa förekomsten eller avsaknaden av ett annat ämne. Ofta påvisas ämnet genom en färgreaktion hos reagenset. Många gånger kan styrkan hos färgen användas som mått på koncentrationen av det ämne som reagenset påvisar.

Observera att betydelsen av ordet reagens är annorlunda i organisk kemi. Där anger reagens ett ämne som används för att sätta igång en kemisk reaktion eller påvisa förekomsten av en sådan.

Mer om reagens på grundnivå kommer ...

Hydratiserade joner

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Exempel på hur joner är hydratiserade, dvs. omges av skal av vattenmolekyler.

Bild: © Svante Åberg

Vattenmolekyler är dipoler och bildar jon-dipolbindning i saltlösningar. Dipolen vänder sig så att den laddning som är motsatt jonens kommer närmast jonen eftersom det är den del som attraheras starkast. På grund av närheten till jonen är attraktionen av den motsatta laddningen starkare är repulsionen av laddningen med lika tecken som jonen. Därför blir det en nettoattraktion mellan jonen och dipolen.

Eftersom dipolmolekylen som helhet är elektriskt neutral får det bildade komplexet samma laddning som den enkla jonen. Eftersom det finns plats för flera vattenmolekyler kring varje jon, så omges jonerna av ett skal av vattenmolekyler. Man säger att jonerna är hydratiserade och bildar akvajoner (akvajon = jon som bundit vatten som ligander; ligand = molekyl som binds till centralatomen).

Koordinationskomplex

Kring en centralatom eller jon, ofta en metalljon, binds ofta molekyler eller joner som finns i den omgivande lösningen. Till exempel har man i en lösning med koppar(II)klorid kopparjoner (Cu²⁺) som binder ett antal kloridjoner (Cl^–). Utrymmet närmast kopparjonen är begränsat. Därför ryms det upp till 4 kloridjoner kring kopparjonen. Ett sådant komplex kallas koordinationskomplex och de partiklar som binds till centralatomen/jonen kallas ligander. Kloridjonen är alltså ligand.

Det finns många möjliga ligander. Ofta är lösnlingsmedelsmolekylerna ligander eftersom de är så vanliga i lösningen. Vatten (H₂O) binds ofta till centraljonen och bildar ett hydratiseringsskal kring jonen. Utöver vatten (H₂O) och klorid (Cl^–), så är ammoniak (NH₃), hydroxid (OH^–), cyanid (CN^–), oxalat (COO)₂^2- exempel på några ligander.