Opgaver til T1.1

Opgaverne hører til siden T1.1 Gummi og celluloid. Prøv selv, før du åbner hjælpen under opgaven.

Opgave T1.1.1: De vigtigste ord

  1. Hvad er en naturlig polymer? Nævn tre eksempler.
  2. Hvilken polymer består træ og bomuld mest af?
  3. Hvad kaldes det, når gummi bliver opvarmet med svovl, så kæderne bliver bundet sammen?
  4. Hvilket stof bliver cellulosen i bomuld lavet om til, når den reagerer med salpetersyre?
  5. Hvilke to stoffer er celluloid lavet af?
  6. Hvad kaldes plast, der er lavet ved at ændre naturlige polymerer med en kemisk reaktion?

Ordene i a, c og f står med fed skrift på siden T1.1. Svarene på b, d og e står i afsnittene Naturens egne polymerer, Bomuld, der brænder op i ét glimt og Celluloid og billardkuglen.

I a skal du tænke på, hvem der laver polymeren. Tøj, papir og gummibolde giver gode eksempler. I d bliver hydrogenatomerne i cellulosens OH-grupper skiftet ud med NO2-grupper. Det ene stof i e kommer fra kamfertræet.

  1. En polymer, som planter eller dyr selv laver. Eksempler er cellulose i bomuld og træ, proteinerne i uld og silke og naturgummi fra gummitræet.
  2. Cellulose.
  3. Vulkanisering.
  4. Nitrocellulose.
  5. Nitrocellulose og kamfer.
  6. Halvsyntetisk plast.

Opgave T1.1.2: Naturlig, halvsyntetisk eller syntetisk?

Tabellen viser otte genstande og det materiale, de er lavet af.

Genstand Lavet af
en T-shirt bomuld
et cykeldæk fra år 1900 vulkaniseret gummi
en telefon fra 1930’erne bakelit
en sweater uld
en gammel bordtennisbold celluloid
en bærepose polyethen
et vandrør PVC
en bold fra Mellemamerika for 3000 år siden naturgummi
  1. Afgør for hver genstand, om den er lavet af en naturlig polymer, af halvsyntetisk plast eller af syntetisk plast.
  2. Hvad er forskellen på halvsyntetisk plast og syntetisk plast?
  3. Naturgummi og vulkaniseret gummi er begge gummi. Forklar, hvorfor de alligevel hører til hver sin slags.

Brug tabellen i afsnittet Naturlig, halvsyntetisk og syntetisk på siden T1.1.

Stil tre spørgsmål til hvert materiale: Er det lavet af en plante eller et dyr? Er det en naturlig polymer, der er ændret med en kemisk reaktion? Eller er det bygget af små molekyler?

Til c: Tænk på, hvad Charles Goodyear gjorde ved gummiet i 1839.

  1. Genstandene fordeler sig sådan:
Slags Genstande
naturlig polymer T-shirten af bomuld, sweateren af uld og bolden af naturgummi
halvsyntetisk plast cykeldækket af vulkaniseret gummi og bordtennisbolden af celluloid
syntetisk plast telefonen af bakelit, bæreposen af polyethen og vandrøret af PVC
  1. Halvsyntetisk plast er lavet af en naturlig polymer, som er ændret med en kemisk reaktion. Syntetisk plast er bygget helt af små molekyler.
  2. Naturgummi kommer direkte fra gummitræet og er en naturlig polymer. Vulkaniseret gummi er naturgummi, der har reageret med svovl, og det er derfor halvsyntetisk.

Opgave T1.1.3: Svovl gør gummiet brugbart

  1. Hvorfor blev gummisko bløde og klistrede om sommeren? Brug ordet kæder i dit svar.
  2. Hvad gjorde Charles Goodyear ved gummiet i 1839?
  3. Hvad holder kæderne sammen i vulkaniseret gummi?
  4. Forklar, hvorfor et stykke vulkaniseret gummi trækker sig sammen igen, når du har strakt det og slipper.
  5. Forklar, hvorfor vulkaniseret gummi ikke smelter, når det bliver varmt.

Læs afsnittene Gummi fra et træ og Svovl gør gummiet brugbart på siden T1.1, og se på figuren med kæderne i naturgummi og i vulkaniseret gummi.

Du kan begynde dine sætninger sådan:

  • I naturgummi er kæderne ikke … Når gummiet bliver varmt, …
  • Når gummiet bliver strakt, bliver kæderne …, men broerne af svovl …
  • Broerne holder kæderne på plads, så de ikke kan …
  1. Kæderne i naturgummi er ikke bundet til hinanden. Når gummiet bliver varmt, glider kæderne forbi hinanden, og gummiet flyder ud og bliver klistret.
  2. Han opvarmede gummiet sammen med svovl. Processen kaldes vulkanisering.
  3. Små broer af svovl, som binder kæderne sammen på kryds og tværs.
  4. Når gummiet bliver strakt, bliver kæderne trukket ud, men broerne af svovl holder fast i dem. Når du slipper, trækker broerne kæderne tilbage, og derfor er gummiet elastisk.
  5. Broerne holder kæderne på plads, så de ikke kan glide forbi hinanden, når gummiet bliver varmt. Gummiet kan derfor ikke flyde ud og smelte.

Opgave T1.1.4: Naturgummis enhed

Den enhed, der gentages i naturgummi, har molekylformlen C5H8. Brug atommasserne C 12,01 u og H 1,008 u.

  1. Hvor mange carbonatomer og hvor mange hydrogenatomer er der i én enhed?
  2. Beregn molarmassen af enheden.
  3. En kæde i naturgummi har molarmassen 340 000 g/mol. Hvor mange enheder er der i kæden?
  4. Hver enhed har én dobbeltbinding. Hvor mange dobbeltbindinger er der i kæden?
  5. Hvor mange carbonatomer er der i kæden?

Se på figuren med enheden i naturgummi på siden T1.1. Molarmassen beregnes som i afsnit 4.2. Én kæde er ét langt molekyle, så kæden har også en molarmasse.

Formlen for molarmassen er M(C5H8) = 5 · M(C) + 8 · M(H).

Til c: Kæden vejer lige så meget som alle dens enheder tilsammen. Antallet af enheder er derfor kædens molarmasse divideret med enhedens molarmasse.

  1. 5 carbonatomer og 8 hydrogenatomer.

  2. Molarmassen er

\[ M(\mathrm{C_5H_8}) = 5 \cdot 12{,}01\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} + 8 \cdot 1{,}008\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 68{,}11\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} \]

  1. Antallet af enheder er

\[ \text{antal enheder} = \frac{M(\text{kæde})}{M(\mathrm{C_5H_8})} = \frac{340\,000\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}}{68{,}11\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}} = 4992 \]

Der er 4992 enheder i kæden, altså omkring 5000.

  1. Der er 4992 dobbeltbindinger i kæden, én i hver enhed.

  2. Hver enhed har 5 carbonatomer.

\[ \text{antal carbonatomer} = 5 \cdot 4992 = 24\,960 \]

Der er 24 960 carbonatomer i kæden, altså omkring 25 000.

Opgave T1.1.5: Reaktionsskemaet for nitrocellulose

På siden T1.1 står reaktionsskemaet for én enhed i cellulose, der bliver til nitrocellulose:

C6H10O5 + 3 HNO3 → C6H7N3O11 + 3 H2O

  1. Hvilken gruppe sidder i stedet for hydrogenatomet i hver OH-gruppe, når reaktionen er forløbet?
  2. Hvilket andet stof bliver dannet?
  3. Tæl atomerne af hvert grundstof før og efter pilen, og skriv dem i tabellen. Er reaktionsskemaet afstemt?
Grundstof Før pilen Efter pilen
C
H
N
O
  1. Forestil dig, at kun to af de tre OH-grupper i hver enhed reagerer. Enheden bliver da til C6H8N2O9. Afstem reaktionsskemaet.

C6H10O5 + HNO3 → C6H8N2O9 + H2O

Læs afsnittet Bomuld, der brænder op i ét glimt på siden T1.1. Atomerne tælles som i afsnit 1.4: gang koefficienten med det lille tal i formlen.

Før pilen kommer hydrogenatomerne både fra C6H10O5 og fra de 3 HNO3. Der er altså 10 hydrogenatomer fra cellulosen og 3 fra salpetersyren.

Til d: Begynd med nitrogen. Der er 2 nitrogenatomer efter pilen, så der skal stå 2 foran HNO3. Tæl derefter hydrogenatomerne, og find koefficienten foran H2O.

  1. En NO2-gruppe fra salpetersyren.

  2. Vand, H2O.

  3. Atomerne fordeler sig sådan:

Grundstof Før pilen Efter pilen
C 6 6
H 13 13
N 3 3
O 14 14

Før pilen kommer de 13 hydrogenatomer fra cellulosen (10) og salpetersyren (3), og efter pilen fra nitrocellulosen (7) og vandet (6). Der er lige mange atomer af hvert grundstof på begge sider, så reaktionsskemaet er afstemt.

  1. Det afstemte reaktionsskema er

C6H10O5 + 2 HNO3 → C6H8N2O9 + 2 H2O

Før og efter pilen er der 6 carbonatomer, 12 hydrogenatomer, 2 nitrogenatomer og 11 oxygenatomer.

Opgave T1.1.6: Nitrogen i nitrocellulose

Enheden i cellulose har molekylformlen C6H10O5, og enheden i nitrocellulose har molekylformlen C6H7N3O11. Brug atommasserne C 12,01 u, H 1,008 u, N 14,01 u og O 16,00 u.

  1. Beregn molarmassen af enheden i cellulose.
  2. Beregn molarmassen af enheden i nitrocellulose.
  3. Hvor mange gram nitrogen er der i 1 mol enheder af nitrocellulose?
  4. Beregn masseprocenten af nitrogen i nitrocellulose.

Molarmasserne beregnes som i afsnit 4.2. Masseprocenten står i afsnit 5.1: massen af nitrogen divideret med massen af hele stoffet, ganget med 100 %.

For nitrocellulose er formlen M(C6H7N3O11) = 6 · M(C) + 7 · M(H) + 3 · M(N) + 11 · M(O).

Til c og d: Der er 3 nitrogenatomer i hver enhed, så 1 mol enheder indeholder 3 mol nitrogenatomer. 1 mol enheder af nitrocellulose vejer 297,15 g.

  1. Molarmassen af enheden i cellulose er

\[ M(\mathrm{C_6H_{10}O_5}) = (6 \cdot 12{,}01 + 10 \cdot 1{,}008 + 5 \cdot 16{,}00)\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 162{,}14\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} \]

  1. Molarmassen af enheden i nitrocellulose er

\[ M(\mathrm{C_6H_7N_3O_{11}}) = (6 \cdot 12{,}01 + 7 \cdot 1{,}008 + 3 \cdot 14{,}01 + 11 \cdot 16{,}00)\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 297{,}15\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} \]

  1. I 1 mol enheder er der 3 mol nitrogenatomer.

\[ m(\mathrm{N}) = 3 \cdot 14{,}01\ \mathrm{g} = 42{,}03\ \mathrm{g} \]

  1. 1 mol enheder af nitrocellulose vejer 297,15 g.

\[ m\%(\mathrm{N}) = \frac{m(\mathrm{N})}{m(\text{nitrocellulose})} \cdot 100\ \% = \frac{42{,}03\ \mathrm{g}}{297{,}15\ \mathrm{g}} \cdot 100\ \% = 14{,}1\ \% \]

14,1 % af massen i nitrocellulose er nitrogen.

Opgave T1.1.7: Fra bomuld til nitrocellulose

Hvor mange gram nitrocellulose kan der dannes af 10,0 g bomuld? Regn med, at bomulden er ren cellulose, og at hver enhed i kæden reagerer, som reaktionsskemaet viser. Formlerne står for én enhed i kæden.

C6H10O5 + 3 HNO3 → C6H7N3O11 + 3 H2O
m 10,0 g
M 162,14 g/mol 297,15 g/mol
n
  1. Trin 1, ned: Beregn stofmængden af enheder i cellulosen.
  2. Trin 2, på tværs: Find stofmængden af enheder i nitrocellulosen.
  3. Trin 3, op: Beregn massen af nitrocellulose.
  4. Nitrocellulosen vejer mere end den bomuld, den er lavet af. Forklar hvorfor.

Tegn skemaet af, og fyld det ud trin for trin: ned, på tværs og op, som i afsnit 4.5. Du skal kun regne på cellulose og nitrocellulose. Molarmasserne er dem, du beregnede i opgave T1.1.6.

Stofmængden er massen divideret med molarmassen. Koefficienterne er 1 for C6H10O5 og 1 for C6H7N3O11, så der dannes lige så mange mol enheder nitrocellulose, som der bruges cellulose. I trin 3 ganges stofmængden med molarmassen.

Til d: Sammenlign massen af et hydrogenatom med massen af en NO2-gruppe.

\[ n(\mathrm{C_6H_{10}O_5}) = \frac{m}{M} = \frac{10{,}0\ \mathrm{g}}{162{,}14\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}}} = 0{,}0617\ \mathrm{mol} \]

\[ n(\mathrm{C_6H_7N_3O_{11}}) = \frac{1}{1} \cdot 0{,}0617\ \mathrm{mol} = 0{,}0617\ \mathrm{mol} \]

\[ m(\mathrm{C_6H_7N_3O_{11}}) = n \cdot M = 0{,}0617\ \mathrm{mol} \cdot 297{,}15\ \dfrac{\mathrm{g}}{\mathrm{mol}} = 18{,}3\ \mathrm{g} \]

Der kan dannes 18,3 g nitrocellulose.

C6H10O5 + 3 HNO3 → C6H7N3O11 + 3 H2O
m 10,0 g 18,3 g
M 162,14 g/mol 297,15 g/mol
n 0,0617 mol 0,0617 mol
  1. I hver enhed bliver tre hydrogenatomer skiftet ud med tre NO2-grupper. Et hydrogenatom vejer 1,008 u, mens en NO2-gruppe vejer 46,01 u. Derfor vejer nitrocellulosen næsten dobbelt så meget som bomulden.