Atom, molekyl, grundämne eller blandning?

Inuti en atom

Vi vill skilja på en partikel och ett ämne. Vi börjar med den minsta byggstenen, atomen. I mitten av atomen finns en kärna. Runt kärnan rör sig elektroner. I kärnan finns protoner, och det är antalet protoner som bestämmer vilket atomslag det är. Alla atomer med åtta protoner är syre. Alla atomer med en proton är väte. I nästan alla atomkärnor finns också neutroner, som inte har någon laddning. Vanligt väte är undantaget: dess kärna är bara en proton. Kärnan ändras inte när ämnen reagerar med varandra. Därför finns samma atomslag kvar efter en kemisk reaktion.

Molekyl: atomer som sitter ihop

När två eller fler atomer binds ihop till en egen liten grupp kallas gruppen en molekyl. Vi räknar två olika saker. Först antalet atomer: hur många kulor sitter ihop? Sedan antalet atomslag: hur många olika sorters kulor finns det? O₂ har två atomer men bara ett atomslag, syre. H₂O har tre atomer och två atomslag, väte och syre.

Grundämne: bara en sorts atom

Nu byter vi fråga. I stället för en enda partikel tittar vi på ett helt prov, till exempel gasen i en ballong full med syrgas. Ett prov innehåller otroligt många partiklar. Om alla atomer i provet är av samma slag är provet ett grundämne. Ren syrgas är ett grundämne, fast atomerna sitter ihop två och två i molekyler. Molekyl och grundämne svarar alltså på olika frågor.

Kemisk förening: olika atomer bundna ihop

Rent vatten innehåller bara H₂O-molekyler. I varje molekyl är två olika atomslag kemiskt bundna till varandra. Då kallas ämnet en kemisk förening. Förhållandet är alltid detsamma: två väte på en syre. Vill du få tillbaka väte och syre räcker det inte att filtrera eller koka vattnet. Då behövs en kemisk reaktion som bryter bindningarna.

Blandning: ämnen bredvid varandra

Luften är en blandning. I bilden rör sig syremolekyler, O₂, och kvävemolekyler, N₂, om varandra. De är inte bundna till varandra. Varje sorts molekyl är kvar som den är, och mängden av varje kan ändras. Därför kan en blandning skiljas åt utan kemisk reaktion. Luft kan till exempel kylas tills den blir flytande. Sedan kan kväve och syre skiljas åt, eftersom de kokar vid olika temperaturer.

Salt: joner i ett gitter

Alla föreningar består inte av molekyler. Vanligt salt, natriumklorid, består av joner. En jon är en atom som har en laddning. Natrium har lämnat ifrån sig en elektron och blivit en positiv jon, Na⁺. Klor har tagit emot en elektron och blivit en negativ jon, Cl⁻. Plus och minus dras till varandra. Därför ordnar sig jonerna i ett rutmönster som kallas kristallgitter. Formeln NaCl betyder en natriumjon för varje kloridjon, inte att de sitter i par.

Periodiska systemet

Vi vill hitta ett grundämne i periodiska systemet och förstå vad platsen säger. Grundämnena står i ordning efter atomnummer, och atomnumret är antalet protoner i kärnan. Natrium har 11 protoner och därför atomnummer 11. Grundämnen i samma lodräta kolumn, en grupp, har liknande egenskaper. Natrium och kalium är båda alkalimetaller som reagerar mycket lätt. Därför är tabellen en modell som hjälper oss att förutsäga.

Sammanfattning

Vi vill skilja på en partikel och ett ämne. En atom eller molekyl är en partikel i vår modell. Ett prov av ett ämne innehåller väldigt många partiklar. Vi tar syrgas och vatten som exempel och räknar en sak i taget.

En atom har en kärna och elektroner. Antalet protoner i kärnan bestämmer atomslaget. O står för syre och H för väte. I en kemisk reaktion finns atomslagen kvar, men atomerna kan bindas ihop på nya sätt.

En molekyl är en avgränsad, elektriskt neutral grupp av minst två atomer som binds samman. Syrgasens molekyler skrivs O₂. Tvåan betyder två syreatomer i varje molekyl. Det är två atomer, men bara ett atomslag.

Ett grundämne innehåller bara ett atomslag. Ren syrgas är därför ett grundämne, trots att dess atomer sitter ihop två och två i molekyler. Molekyl betyder alltså inte automatiskt kemisk förening.

En vattenmolekyl skrivs H₂O. Den innehåller två väteatomer och en syreatom: tre atomer och två atomslag. Rent vatten är en kemisk förening eftersom olika atomslag är kemiskt bundna till varandra. I varje vattenmolekyl är förhållandet två väte till en syre.

En blandning innehåller flera ämnen tillsammans. En modell med både syremolekyler, O₂, och kvävemolekyler, N₂, visar en blandning. Att molekylerna finns bredvid varandra betyder inte att de bundits ihop till ett nytt ämne.

Alla kemiska föreningar består inte av molekyler. I fast natriumklorid, vanligt salt, finns positiva natriumjoner och negativa kloridjoner i ett sammanhängande kristallgitter. En jon är en laddad atom eller atomgrupp. Motsatta laddningar dras till varandra och håller ihop kristallen.

NaCl anger förhållandet en natriumjon till en kloridjon. Vi ska inte rita saltet som fristående NaCl-molekyler. Det är en jonförening. Vatten är däremot en molekylförening, där atomerna delar elektroner i bindningarna inom varje molekyl.

När salt löses i vatten sprids jonerna bland vattenmolekylerna. Saltet har inte försvunnit. Saltvatten är en blandning. Vi kan ändra mängden salt i vattnet; en vattenmolekyls sammansättning H₂O ändras inte av det.

Alla atomslag står i periodiska systemet. Vi vill förstå hur tabellen är ordnad. Grundämnena står efter atomnummer, och atomnumret är antalet protoner i kärnan. Väte har atomnummer 1, syre 8 och natrium 11. Varje ruta är alltså ett atomslag.

Grundämnen i samma lodräta kolumn kallas en grupp, och de har liknande kemiska egenskaper. Litium, natrium och kalium är alkalimetaller och reagerar mycket lätt. Därför är tabellen en modell: vet du var ett grundämne står kan du förutsäga hur det beter sig.

Mendelejev ordnade grundämnena i en tabell 1869. Han lämnade luckor där inget känt grundämne passade och förutsade grundämnen som skulle likna aluminium och kisel. När gallium och germanium upptäcktes stämde de med förutsägelserna, och det stärkte modellen.

Kontrollera din sortering: Räknar du atomer eller atomslag? Frågar du om en enda partikel eller om hela provet? Ett prov kan vara både ett grundämne och bestå av molekyler. Begreppen svarar på olika frågor.

O₂: två atomer, ett atomslag; ren syrgas är ett grundämne med molekyler. H₂O: tre atomer, två atomslag; rent vatten är en molekylförening. Fast NaCl: två jonarter i ett gitter; en jonförening. O₂ tillsammans med N₂: två ämnen i en blandning.

Vanliga missförstånd

• Många tror: Om ett ämne består av molekyler är det en kemisk förening.

  Men ren syrgas består av O₂-molekyler men är ett grundämne, eftersom den bara har ett atomslag. Det är antalet atomslag som avgör, inte om atomerna sitter i molekyler.

• Många tror: Salt består av fristående NaCl-molekyler.

  Men salt är en jonförening. Natriumjoner och kloridjoner sitter i ett sammanhängande kristallgitter, och NaCl anger bara förhållandet en natriumjon till en kloridjon.

• Många tror: Molekyler som finns bredvid varandra har bundits till en ny förening.

  Men syremolekyler och kvävemolekyler som finns bredvid varandra är en blandning. En ny förening bildas först när atomerna binds ihop kemiskt till ett nytt ämne.

Källor

1. Earth Fact Sheet (luften: 78,08 % kväve, 20,95 % syre), NASA
2. Atomic Structure and Symbolism (protonantalet bestämmer grundämnet; protium har ingen neutron), OpenStax Chemistry 2e
3. Phases and Classification of Matter (grundämne, förening, blandning; blandningar skiljs åt fysikaliskt), OpenStax Chemistry 2e
4. Chemical Formulas (indextalet anger antalet atomer; H₂, O₂ och N₂ är tvåatomiga), OpenStax Chemistry 2e
5. Ionic and Molecular Compounds (NaCl: en Na⁺ per Cl⁻, formeln anger förhållandet), OpenStax Chemistry 2e
6. Occurrence, Preparation, and Properties of Nitrogen (kväve ur flytande luft genom fraktionerad destillation), OpenStax Chemistry 2e
7. Molekyl, Nationalencyklopedin
8. Kemisk förening, Nationalencyklopedin
9. Grundämne, Wikipedia på svenska
10. The Periodic Table (ordnat efter atomnummer; alkalimetallerna har liknande egenskaper; Mendelejev 1869 förutsade grundämnen som liknade aluminium och kisel, gallium och germanium), OpenStax Chemistry 2e
11. Kommentarmaterial till kursplanen i kemi (periodiska systemet som förklaringsmodell), Skolverket
12. Kursplan i kemi, Lgr22, Skolverket