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,
der afgiver elektroner skyldes, at metallet har en ringe elektronegativitet
1
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 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
+ 8 O
2
8 SO
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
2
) fordamper under forsøget.
Denne reaktion er en redoxreaktion.
C) S
8
(s) S
8
(l) S
2
(g)
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 af 10
D) FeS + 2 HCl FeCl
2
+ H
2
S
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 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
8
. Svovl er ved stuetemperatur et fast, gult stof uden lugt. Det har meget
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
2
SO
4
) og i
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 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
elektricitet
God
Dårlig
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 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.
o Reduktion: Et stof der optager elektroner siges at blive reduceret
5
.
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 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 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
2
+ H
2
S. H
2
S,
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
8 FeS
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 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 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
2
)(svovl reagere med
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.