Introduksjon til kjemisk prosessindustri

For å forstå hvordan stoffer reagerer med hverandre, og hvorfor de ulike stoffene har forskjellige egenskaper, må vi først lære om de minste byggesteinene i naturen.

Atomets oppbygging

Når vi skal lære hvordan et atom er bygget opp, er det ikke så viktig å forsøke å forstå hvordan det egentlig ser ut. Vi er mer interessert i å forstå hvordan atomene virker på hverandre, når vi skal beskrive oppbyggingen.

Atomer er satt sammen av byggesteinene protoner, nøytroner og elektroner.

De to første typene, protoner og nøytroner, kaller vi kjernepartikler. Det er fordi disse alltid er plassert i kjernen av et atom. Vi tenker oss at den siste byggesteinen, elektronet, beveger seg i ulike skall (eller «baner») rundt kjernen.

Hydrogen

La oss først se på det enkleste atomet vi kan tenke oss: et atom med bare ett proton og ett elektron. Atomer som er satt sammen slik, kaller vi hydrogen.

Når universet oppsto, var hydrogen det første stoffet som ble dannet. Og det er fortsatt mye hydrogen i universet: 74% av solas masse er hydrogen!

I hydrogen tenker vi oss altså en kjerne med ett proton, og ett elektron befinner seg i skallet rundt kjernen. Disse partiklene har også en ladning, omtrent som pluss og minus på et batteri. Protoner har en positiv ladning, og elektroner har en like stor negativ ladning. Til sammen utlikner de hverandre, sånn at summen av ladninger i atomet er null.

Men hva med den siste byggesteinen: nøytronet? Som navnet antyder, har ikke denne partikkelen noen ladning (det er nøytralt). Det er som regel omtrent like mange nøytroner som protoner i et atom. Hydrogen finnes i to varianter: én som ikke har noe nøytron, og en som har ett nøytron. Vi kaller disse variantene av samme atom for isotoper.

Protoner er positivt ladet, og elektroner er negativt ladet. Nøytroner er nøytrale.

Grunnstoffene

Du har helt sikkert hørt om grunnstoffer før, men hvordan definerer vi egentlig hva et grunnstoff er?

Et grunnstoff består kun av atomer med samme antall protoner i kjernen.

Det betyr at grunnstoffet hydrogen kun kan ha ett proton i kjernen. Om det er to eller flere protoner i kjernen, er det ikke lenger hydrogen. Da er det et annet grunnstoff!

I gamle dager fantes det mennesker som ble kalt alkymister. De forsøkte å gjøre grunnstoffet bly om til grunnstoffet gull. Det klarte de aldri.

Et grunnstoff kan ikke endres til å bli et annet grunnstoff gjennom kjemiske prosesser.

Det er faktisk mulig å få et grunnstoff til å bli et annet, gjennom noe som kalles kjernereaksjoner. Men i denne boka skal vi konsentrere oss om kjemiske reaksjoner, og da er det altså ikke mulig å gjøre bly om til gull!

La oss ta for oss grunnstoffet hydrogen igjen, men nå legger vi til ett proton. Da vet du at det ikke er grunnstoffet hydrogen lenger, for hydrogen kan kun ha ett proton i kjernen. Om vi har to protoner i kjernen, har vi grunnstoffet helium.

For at summen av ladninger i atomet nå skal bli null, må vi også ha et ekstra elektron. Da har vi to plussladninger og to minusladninger. Det er også nøytroner i kjernen til helium. På samme måte som for hydrogen, finnes det også ulike isotoper av helium. De vanligste isotopene av helium har enten ett eller to nøytroner.

Isotoper er varianter av samme grunnstoff, hvor antall nøytroner i kjernen er forskjellig.

Legger vi til enda ett proton, får vi grunnstoffet litium. Siden litium har tre protoner, trenger vi tre elektroner. Men nå oppstår det et lite problem: det er nemlig bare plass til to elektroner i det skallet som er nærmest atomkjernen!

For å løse dette problemet, oppretter vi et nytt skall som ligger litt lenger unna atomkjernen. I dette nye skallet er det plass til opptil åtte elektroner. Litium bruker altså bare en av disse plassene, men det er viktig å vite at det er plass til totalt åtte elektroner i dette skallet.

Det er plass til to elektroner i det innerste elektronskallet, og åtte elektroner i det neste elektronskallet.

Alle grunnstoff har et atomnummer, og dette nummeret er det samme som antallet protoner i kjernen. Dermed får hydrogen atomnummer 1, mens helium har atomnummer 2. Og da har du sikkert allerede gjettet at litium har atomnummer 3!

Atomnummeret til et grunnstoff er identisk med antall protoner i atomets kjerne.

Grunnstoffet som har 92 protoner i kjernen, kalles uran. Dette er det tyngste grunnstoffet som finnes i naturen. I tillegg finnes det grunnstoffer med flere enn 92 protoner, men disse er kunstig laget.

Grunnstoffet Technetium (kjemisk symbol «Tc»), har atomnummer 43, men det finnes ikke i naturen.

Periodesystemet

Nå vet du at det som skiller de ulike grunnstoffene fra hverandre, er antall protoner i kjernen. Dermed kan vi henvise til et hvilket som helst grunnstoff med et enkelt tall, nemlig atomnummeret.

For eksempel har hydrogen atomnummer 1, helium har atomnummer 2, og så videre. I tillegg har alle grunnstoff et navn og et kjemisk symbol. Symbolet består av én eller to bokstaver, og er det samme i alle verdens språk. Slik er det ikke med navnene til grunnstoffene. For eksempel sier vi “bly”, mens engelsktalende sier “lead”. Men det kjemiske symbolet er det samme på begge språk: Pb. Vi kan si at vi har et eget “kjemispråk”.

Alle grunnstoff har et kjemisk symbol som består av ett eller to bokstaver. I motsetning til stoffets navn, er symbolet felles på alle språk.

Alle grunnstoffene kan ordnes på en oversiktlig måte i en tabell som kalles for periodesystemet. Vi begynner øverst til venstre, og stiller grunnstoffene opp etter økende atomnummer.

I periodesystemet er grunnstoffene ordnet etter stigende atomnummer.

Radene i periodesystemet kalles for perioder. I den første perioden finner vi hydrogen (H) og helium (He). Disse grunnstoffene har bare ett elektronskall.

I den andre perioden finner vi alle grunnstoffer med to elektronskall. Der er det plass til åtte elektroner. Grunnstoffet neon (Ne) har 10 protoner og 10 elektroner. To av elektronene er i det innerste skallet, og da må det være åtte elektroner i det neste skallet.

Grunnstoffet natrium (Na) har 11 protoner og 11 elektroner. Det er to elektroner i innerste skall, og åtte elektroner i det neste skallet. Da er det ikke plass til flere i det andre skallet, så det siste elektronet får plass i det tredje skallet. I den tredje perioden finner vi alle grunnstoffer med tre elektronskall. Slik fortsetter det nedover i periodene.

I periodesystemet deles grunnstoffene inn i perioder etter antall elektronskall.

Natrium reagerer lett med andre stoffer. Når det kommer i kontakt med vann, reagerer det voldsomt. Det dannes hydrogengass, og denne eksploderer med et skikkelig smell!

Grunnstoffene ble opprinnelig ordnet i kolonner, avhengig av de kjemiske egenskapene. Det vil si at de grunnstoffene som er i samme kolonne, likner litt på hverandre i forhold til hvordan de reagerer med andre stoffer. Dette henger nøye sammen med hvor mange elektroner et grunnstoff har i ytterste skall.

I 1869 laget den russiske kjemiprofessoren Dmitrij Ivanovitsj Mendelejev det første utkastet til periodesystemet. Han organisere grunnstoffene etter atomvekt og kjemiske egenskaper.

Grunnstoffene hydrogen (H), litium (Li) og natrium (Na) har ett elektron i det ytterste elektronskallet. Derfor plasserer vi disse i den første kolonnen. Vi kaller denne kolonnen for gruppe 1.

Den neste kolonnen inneholder grunnstoffer med to elektroner i det ytterste skallet, og vi kaller denne for gruppe 2. Grunnstoffene i gruppe 3-12 har ett eller to elektroner i ytterste skall. I gruppe 13 har alle grunnstoffene tre elektroner, og i gruppe 14 har alle grunnstoffene fire elektroner.

Slik fortsetter det bortover i gruppene. I gruppe 18 (den siste kolonnen), har alle grunnstoffene åtte elektroner i ytterste skall.

Grunnstoff som tilhører samme gruppe i periodesystemet, har ofte ganske like egenskaper.