Reaktion mellem jern og svovl | Kemi A

Side 1

Side 1 af 10

Reaktion

Jern og Svovl

Indledning:

Noget andet man kan kalde ionforbindelser er salte. Det der er ved salte, er at de kan knuses ved tryk – hvilket også er det man gør i dette forsøg, hvor reagensglasset til sidst knuses meget forsigtigt, så jernsulfid kommer i så vidt som muligt ud i et stykke.

Generelt gælder, at en ionforbindelse dannes, når metal-atomer reagerer kemisk med ikke-metaller.

Metal-atomerne afgiver elektroner, som optages af ikke-metallerne. Grunden til at det er metallet,

                                                          1
der afgiver elektroner skyldes, at metallet har en ringe elektronegativitet

og har således nemt ved at

STX 2.g elektronegativitet og derfor optager en eller flere elektroner. Ikke-metallet kaldes derfor for en elektronacceptor. Metallet og ikke-metallet binder sig til hinanden via de såkaldte ionbindinger. I ionbindinger sidder ionerne i et system, hvor de danner et iongitter. Iongitteret holdes sammen af elektriske tiltrækningskræfter. Når ionforbindelser opstår, er der også tale om en ioniseringsenergi.

Det er den energi, der skal tilføres for at løsrive elektronerne fra et grundstof. Jo flere elektroner der bliver løsrevet, desto mere energi skal der til for at løsrive ’de stadig hængende’ elektroner. Det skyldes at protonerne kommer i overtal, og protonernes tiltrækningskraft øges således, at elektronerne har sværere ved at ’slippe væk’. Det centrale der er ved alle grundstoffer er, at de alle ønsker at få opfyldt oktetreglen, også kaldet ædelgasreglen – det kan de blandt andet få opfyldt ved en ionforbindelse.

1

Elektronegativitet er et udtryk for grundstoffernes evne til at tiltrække og fastholde elektroner i kemiske bindinger.

Bindingstypen afgøres af forskellen i elektronegativitet mellem de atomer, der er involveret. Atomer med ens elektronegativitet vil dele en elektron med hinanden og forme en kovalent binding (eller elektronparbinding). Men hvis forskellen i elektronegativitet er for stor, vil elektronen permanent binde sig til det ene atom, og der vil være tale om en ionbinding. Ydermere, hvis der i en kovalent binding er en lille forskel i elektronegativitet, så vil en kemisk polaritet opstå i bindingen.

Villighed til at afgive elektroner udtrykkes som elektropositivitet. (Kilde: wikipedea.dk)

Side 2

Side 2 af 10

Ionforbindelser kan fremstilles på tre forskellige måder. En reaktion mellem grundstoffer (metal og ikke-metal). En ionforbindelse kan fremstilles er en reaktion mellem syre og base eller en fældningsreaktion.

A: Reaktionen der foregår mellem metallet jern og et ikke-metallet svovl, de to reagerer sammen og danner jernsulfid (FeS) som et slutresultat. Den ønskede reaktion mellem jern og svovl ved

udsættelse for høj varme således ud; 8 Fe + S8 🡪 8 FeS, som er en redoxreaktion:

Udover denne slutreaktion reaktion, sker der derudover tre andre reaktioner. B og C er såkaldte sidereaktioner. De tre reaktionsligninger opskrives således:

B) S + 8 O 🡪 8 SO

8 2 2

Dannelse af grimt lugtende gas – denne gas SO

2 kaldes også svovldioxid, hvilket er det der fordamper under forsøget, og denne reaktion har indflydelse på det endelige resultat, da noget af svovlet(SO) fordamper under forsøget.

2

Denne reaktion er en redoxreaktion.

C) S (s) 🡪 S (l) 🡪 S (g)

8 8 2

Svovl smelter og fordamper – disse reaktioner kan se ved at iagttage farverne der fremstår under reaktionen. Det smeltede svovl ses ved, at der kommer en mørk rødbrun farve i reagensglasset, og svovldampen er en gul farve, der gradvist med tiden 🡪glasset bliver koldere, sætter sig fast på den øvre del af reagensglasset

Denne reaktion er ikke en redoxreaktion. (Bilag 5)

Side 3

Side 3 af 10

D) FeS + 2 HCl 🡪 FeCl + H S

2 2

Denne reaktion fremkommer, når man kommer jernsulfid (FeS) ned i et glas og tilsætter 4M saltsyre (HCl). Herefter vil der dannes svovlbrinte (H

2

S), som lugter af ”råddent æg” og kan være dødeligt i store mængder, denne reaktion er det vi ser, når det bobler og stiger til vejr.

Denne gasart dannes også, når organismer forrådner. Forrådnelse er nedbrydning via bakterier under iltmangel.

Hvordan svovl ændrer tilstandsform under opvarmning på molekylplan:

Under opvarmningen af svovl, sker der nogle molekylære forandringer. Ved den tyndtflydende tilstand, som opnås ved en temperatur på 119 °C, vil svovl findes i de førnævnte ringe bestående af otte svovlmolekyler. Ved tilførsel af varme begynder svovlets molekylære struktur at ændre sig til delvis kæder og delvis ringstrukturer – dette er stadiet hvor viskositeten er sirup-agtig. I sidste ende, hvis varmen fortsætter med at stige, vil svovls molekylære strukturer være udelukkende kæder af svovlmolekyler, hvilket resulterer i en tyktflydende svovlmasse. Denne form for svovl kaldes også for plastisk svovl. Det skal dog nævnes, at temperaturen skal være højere end 200 °C før svovl ændrer sig fra at være tyktflydende og gul. Ved en temperatur på 444 °C koger svovl-væsken, og man får svovl som værende gas.(Bilag 3,4 og 5)

Formål:

Formålet med dette forsøg er, at se på en eller flere reaktioner der sker under processen ved jern og svovl. Dette gælder både ønskede og uønskede reaktioner. Dette forsøg handler om en reaktion mellem et metal(jern) og et ikke-metal (svovl), hvilket er en ionforbindelse. Forsøget kræver aktiveringsenergi, men den afgiver desuden også meget varme i løbet af forsøget. Ideen bag forsøget er også at lære at tolke de forskellige reaktioner der opstår under forsøget.

Side 4

Side 4 af 10

Teori:

I dette forsøg bruges jern og svovl i form af pulver. Metallet jern (Fe) er navnet på et tungemetal, et grundstof i det periodiske system. Jern befinder sig i 4. periode og 8. Hovedgruppe har atomnummeret 26. Når jern er helt rent er det et fast stof(s), men samtidig et blødt metal. Jern har et smeltepunkt ved 1530 °C en kogepunkt ved cirka 3000 °C. Jern har en god varmeledeevne og er god til at lede elektrisk strøm. Udover det kan jern også gøres magnetisk. Jern er det 10. mest almindelige grundstof i universet og det er det der fremstilles cirka 20 gange mere af end samtlige andre metaller tilsammen. Dette betyder at jern er en vigtig bestanddel af produktionen for mange ting som for eksempel værktøjer, køkkenknive, husmaterialer og meget mere. Ulempen ved rent jern er, at det meget let ruster. Det er til gengæld også det eneste metal, der kan hærdes ved at varme det og nedsætte det i koldt vand. Jernet findes i naturen i myremalm, der findes i små forekomster i aflejringer i moser og enge, jernmeteoritter og jernmalm. Selve jordklodens jordskorpe indeholder store mængder af jern. Jordens totale kemiske sammensætning består 37,4 %

jern^{2}.

Molekylet svovl (S) er nummer 16. i den 6. Hovedgruppe i det periodiske system. Svovl har en ringe evne til at danne dobbeltbindinger, derfor danner den i stedet ringe af 8 svovlatomer med enkeltbindinger, hvilket også tydeligt vises i denne rapport, da man i dette forsøg betegner svovl med molekyleformlen S. Svovl er ved stuetemperatur et fast, gult stof uden lugt. Det har meget

8 ringe evne til at lede varme og elektrisk strøm i forhold til jern. Ved opvarmning til et temperatur over 119 °C ændres tilstandsformen fra fast til flydende, farven bliver herefter lysegult, og en letflydende væske. Lader man denne flydende svovl med et temperatur lige over smeltepunktet afkøle langsomt, vil det blive fast svovl igen. Ved endnu mere opvarmning over smeltepunktet, får man først et mørk, tungflydende smeltemasse. Ved temperaturen 444 °C koger svovl, og man får gasformig svovl, hvilket også ses i dette forsøg. Disse ændringer i farve og viskositet under tilførsel af varme skyldes molekylets strukturændringer, eller nærmere betegnet de såkaldte molekylære forandringer [3]. Størstedelen af svovl bruges i hverdagen til svovlsyre (H SO) og i

2 4 bildæk, hvor svovlet blandes i gummiet. Svovlforbindelser bruges i krudt, farvestoffer, maling, plastik, sæbe, plantebeskyttelsesmidler og medicin. I naturen findes svovl i undergrunden, ved varme kilder og i vulkaner. Det findes også i mange mineraler, det vil sige også i mennesket. Med alt dette kan man sige, at jern og svovl er livsnødvendige stoffer for mennesket og universet for den sags skyld.

2

Kilde: da.wikipedia.org/wiki/Jern

3

Kilde: Arne Jensen, Kemibogen 1, side 7.

Side 5

Side 5 af 10

Tabellen viser nogle vigtige egenskaber hos jern og svovl [4].

Egenskaber Jern Svovl

Smeltepunkt ~ 1530 °C 119 °C

Kogepunkt ~ 3000 °C 444 °C

Densitet 7,8 g/cm^{3} 2,1 g/cm^{3}
Varmefylde 0,45 kJ/kgK 0,73 kJ/kgK
Opløselighed Uopløselig Opløseligt i CS_{2}

Ledningsevne overfor varme og God Dårlig elektricitet

Farve Hvid metalglans Gulbrun

Generelt gælder, at en ionforbindelse er en forbindelse mellem et ikke-metal og et metal. Det er en sammenkobling af atomer, der foregår på den måde, at det ene atom afleverer en eller flere elektroner, hvorved der dannes en positiv ion, medens det andet atom optager den eller de elektroner, der afgives, hvorved der dannes en negativ ion. De elektriske kræfter vil derefter trække ionerne sammen i en ionforbindelse. Herved får begge stoffer en ædelgasstruktur. Da tiltrækningen mellem de positive og negative ladninger virker i alle retninger, bevirker det, at selv de ioner, der kun har 1 positiv ladning, vil blive omgivet af flere ioner med negativ ladning - og omvendt for negative ioner.

Ionforbindelser er faste stoffer, og kaldes med en fællesbetegnelse for salte. Når salte dannes, har de en tilbøjelighed til at vokse i alle retninger. Da ionerne hele tiden lægger sig på samme måde i forhold til hinanden, bliver opbygningen meget regelmæssig. Regelmæssigt opbyggede faste stoffer kaldes krystaller, og de har ofte blanke, glatte overflader og skarpe kanter. En ionforbindelse er altså ikke som et molekyle opbygget af få atomer, men består af uhyre mange positive og negative ioner, der anbringes i et iongitter. Ioner i et iongitter kan frigøres fra gitret ved opvarmning eller hvis de opløses i vand.

Definitionen for ioniseringsenergi følgende: Ioniseringsenergien er den energi, der skal tilføres et atom for at omdanne det til en positiv ion. Det vil sige, at den skal bruge energien til at få atomet til at afgive en elektron. Jo flere elektroner atomet har løsrevet, desto større ioniseringsenergi skal der til for at løsrive de næste elektroner, der stadig er hæftet fast på atomet, idet protonernes tiltrækningskraft bliver større for de enkelte resterende elektroner, da der pludselig ikke er ligeså mange elektroner som protoner.

4

Kilde: Arne Jensen, Kemibogen 1, side 9 øverst.

Side 6

Side 6 af 10

Elektronaffinitet er den energi, der tilføres eller afgives, når ikke-metaller optager elektroner. Så snart den første elektron modtages, frigøres der energi, idet den optages frivilligt. Derimod skal der tilføres energi, hvis der atomet skal optage flere elektroner. Jo flere elektroner et atom skal optage, desto større elektronaffinitet skal der tilføres.

Aktiveringsenergi er den energi, som kræves for at starte en vis proces eller kemisk reaktion. Ved aktiveringsenergien øges partikelhastigheden således, at den pågældende reaktion kan forløbe.(Bilag 4)

De exoterme reaktioner er en kemiske reaktioner hvorved varme/energi udvikles. Det betyder, at

hvis den varme et system bliver tilført ikke kan ledes bort, vil systemets temperatur fortsætte med at stige. Denne kemiske reaktion udvikler således varme under reaktionsforløbet – der sker en varmeafgivelse. I forsøget ”Reaktion jern og svovl” har man med exoterme reaktioner at gøre.

Grunden til at man fjerner systemet fra bunsenbrænderen skyldes, at hvis dette ikke gøres, vil temperaturen fortsætte med at stige – hvis man fjerner det såkaldte system ved den første glød, vil temperaturen brede sig i systemet inden den forbruges. Det modsatte af exoterme reaktioner kaldes

for endoterme reaktioner. Det er en kemisk reaktion, hvorved varme/energi optages, og luften

omkring virker derved koldere. Her forbruger den kemiske reaktion varme ved reaktionen. De endoterme reaktioner er således afhængig af en konstant tilførsel af varme.

Redoxreaktioner beskriver alle kemiske reaktioner, hvor atomer får deres oxidationstrin ændret. I redoxreaktioner bliver der overført elektroner fra et stof til et andet. Det vil sige, at hvis et atom afgiver én elektronen, må der altid være et andet atom der optager den samme elektron. En oxidation kan således kun finde sted sammen med en reduktion.

Definitionen for en oxidation og en reaktion er følgende: o Oxidation: Et stof der afgiver elektroner siges at blive oxideret.

                                                      5
o Reduktion: Et stof der optager elektroner siges at blive reduceret .

Tilstandsformer er afhængigt af det ydre tryk samt temperaturen. Der findes tre tilstandsformer; den ene kaldes den faste fase, som man markerer ved et s, solid, der betyder fast. Da stoffet er fast, ligger molekylerne på faste pladser i en regelmæssig struktur. Den anden tilstandsform kaldes væskefasen, hvor det pågældende stof er flydende, dette vil sige at molekylerne bevæge sig frit rundt mellem hinanden. Dette vises ved at skrive et l (liquid) for flydende. I den tredje tilstandsform

5

Kilde: Aurum 1, side 175

Side 7

Side 7 af 10 kan molekylerne bevæge sig bort fra hinanden. Bindingerne mellem dem er stort set forsvundet.

Denne tilstandsform kaldes for gasfasen, som markeres ved et g for gas.

Forsøgsopstilling:

Apparatur:

I dette forsøg har vi benyttet, svovlpulver (gult), jernpulver (gråt), reagensglas, H-fod og en stang, muffe, stativ-klo, bunsenbrænder, tændstikker (brugt til at tænde bunsenbrænderen) og (0,1 M Saltsyre, HCL)

Forsøgsbeskrivelse: o Først opstilles forsøget som på ovenstående billede under forsøgsopstillingen.

o Svovl- og jernpulver blandes sammen i et reagensglas, og reagensglasset fastspændes til stangen på H-foden med muffe og klo.

o Bunsenbrænderen tændes for højt blus og sættes herefter under reagensglasset

o Det første der sker, er, at blandingen bobler/koger.

o Ved dette tilfører man energi, som kaldes aktiveringsenergi, hvorefter man kan se første tegn på en reaktion, idet glasset gløder og man fjerner hurtigt bunsenbrænderen under reagensglasset ligeså snart den gløder.

o En sidereaktion der sker herefter er, at svovl smelter(Rød-brun) og fordamper(gult) som i form af gas, og sætter sig på reagensglasset, da den er kold. (SE Bilag).

Side 8

Side 8 af 10 o Noget tid senere når den kemiske forbindelse (jernsulfid) er afkølet, slås glasset i stykker, og man vejer massen af det faste jernsulfid.

o Vi lavede til sidst lille sideforsøg, hvor man anbringer jernsulfidet i et glas med 0,1 M HCl

(saltsyre).

Forklaring af de helt grundlæggende reaktioner under forsøget forklares med billeder i bilagene 1 og 2.

Tilsætning af HCl:

Til sidst tilsættes 0,1 M HCl (saltsyre) til jernsulfid, dette skyldes, at man er interesseret i at se,

hvad der vil ske. Reaktioner der finder sted ser således ud: FeS + 2 HCl 🡪 FeCl + H S. H S,

2 2 2 svovlbrinte medvirker til en grim lugt af rådne æg. Svovlbrinte er giftigt, hvis man indtager det i store mængder. Udover den ubehagelige stank, der opstår ved tilsætning af HCl, kan man også iagttage reaktionen ved at det begynder at boble.

Resultater og databehandling:

Det teoretiske udbytte:

8 Fe + 1 S 🡪 8 FeS

8

M (molarmasse) 55,8 g 8 x 32,1 = 256,8 g 55,8+32,1 = 87,9 g

m (massen) 1 g 0,0025 x 256,8 = 0,64 g = (1+0,64 g) 1,64 g

n (stofmængden) 1/55,8 = 0,02 0,02 x (1/8) = 0,0025 0,02

De formler der er brug her ovenover er: m = n ∙ M og n =

8 partikler (jern) reagerer med 1 partikel (svovl) 🡪 forholdet er derfor 8:1.

Side 9

Side 9 af 10

Det praktiske udbytte:

Jernsulfid i gram (x) Det praktiske udbytte

1,47

89,6 %

1,43

87,2 %

1,40

85,4 %

1,25

76,2 %

1,20

73,2 %

0,72

43,9 %

0,70

42,7 %

Det størst praktiske udbytte er på 89,6 %. Når man tænker på, hvor meget jernsulfid eller svovl i form af gas er mistet under forsøget, så kan det siges, at 89,6 % i praktisk udbytte faktisk er meget godt. Der er en gruppe som har været uheldige at få 42,7 % praktisk, hvilket faktisk er under halvdelen af det teoretiske udbytte, men her skal man tage usikkerheder og fejlkilder i betragtning.

Vurdering af resultater:

Usikkerheder:

En usikkerhed under forsøget kan være, at man har vejet forkert med hensyn til jernsulfid til allersidst. En meget stor usikkerhed under forsøget kan være, at man ikke har fjernet bunsenbrænderen hurtigt nok, når jern-svovl reaktionen er gået i gang og begynder at gløde.

Fejlkilder:

En fejlkilde under forsøget kan være, at svovl fordamper som noget gult stof og sætter sig på reagensglasset, hvilket også ses på billedet under Bilag 2, billede nummer 5 og 6. Dette medfører, at man ikke kan veje hele blandingen, så det praktiske udbytte skulle havde været ligeså meget som det teoretiske udbytte. En anden fejlkilde under forsøget kan være det fortætnet svovl (rød-brun), som også sætter sig fast på reagensglasset og medfører det samme som fejlkilde nummer et.

Side 10

Side 10 af 10

En tredje fejlkilde under forsøget kan være, at noget af det faste jernsulfid mistes ved at man slår reagensglasset itu og herved mister små stumper af jernsulfid, dette kan teoretisk set også ses som en fejlkilde, men det er næsten umuligt at undgå dette.

Diskussion og konklusion:

Ud fra alt dette kan man sige, at forsøget har været nogenlunde vellykket. Det er gået meget godt med nogle, mens det er gået mindre godt hos andre. Dette kan skyldes mange ting. Først og fremmest skulle vores praktiske udbytte havde været 1,64 g, det vil sige 100 %, men på grund af de to sidereaktioner og taget usikkerheder og fejlkilder i betragtning, så er det gået meget godt. Det tætteste vi kan komme på det teoretiske udbytte er 1,47 g, det vil sige 89,6 %. Grunden til dette er igen de såkaldte sidereaktioner. Den første (B) var dannelse af svovldioxid(SO)(svovl reagere med

2 ilt i atmosfæren), i form af grimt lugtende gas. Den anden er svovldampen, som fortætnes på den kolde øvre del af reagensglasset. En tredje ting er, at man mister noget af jernsulfid, når man slår reagensglasset itu. De der har fået et meget dårlig praktisk udbytte, skyldes formentlig at de ikke har fjernet bunsenbrænderen hurtigt nok væk under reaktionen, hvilket har resulteret i, at meget af det praktiske udbytte er forsvundet i form af damp.