Salta isen

Tillhör kategori: aggregationsformer, fysikalisk kemi

Författare: Marsha Thalin

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Tid för förberedelse: Försumbart

Tid för genomförande: 60 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

På vintern fryser vatten och snö till is på vägarna. Vit saltar vägarna för att smälta isen. Vad är det som händer egentligen? Tänk dig att du använder en termometer för att mäta isens temperatur på vägen. Sedan mäter du temperaturen när du strött på lite salt på isen.

Har du någonsin funderat över hur man gjorde glass och sorbet innan frysen uppfanns? Man åt sorbet i det gamla Kina.

Riktlinjer

Experimentet kan utföras indiviuellt eller i grupper om två.

Eleverna kan välja delförsök eller utföra båda.

Säkerhet

Ingredienserna är helt ofarliga.

Resterna kan spolas ned i vasken.

Materiel

För en laborant eller labgrupp

Aktivitet A - Salt, det som får isen att smälta

Aktivitet B - Djupfrysning

Förarbete

Gör is.

Ställ i ordning isglass eller iskuber av juice.

Utförande

Aktivitet A - Salt, det som får isen att smälta

  1. Märk två bägare och muggar 1 och 2. Gör 5 hål i botten av plast- eller pappersmuggarna. Lägg lika mycket krossad is i vardera muggen och ställ dem i glasbägarna. Avläs temperaturen.
  2. Strö 2-3 teskedar salt på isen i bägare i kopp 1 och blanda med glasstaven. Låt bägare 2 vara.
  3. Mät temperaturen igen och anteckna. Upprepa mätningen efter 10 minuter.
  4. Starta tidtagaruret för att mäta issmältningen. Notera var 60:e sekund mängden vatten i bägare 1 och 2. Fortsätt mäta i sammanlagt 15 minuter.
  5. Vilken mugg ger mest vatten?
  6. Gör diagram som visar:
    • Temperaturskillnaden mellan bägarna.
    • Smälthastigheten med och utan salt.

Aktivitet B - Djupfrysning

  1. Märk bägarna A och B. Lägg lika mycket is i vardera bägaren.
  2. Lägg ofrysta isglassar eller engångs istärningspåsarna fyllda med juice i vardera bägaren. Se till att de är omgivna av is.
  3. Sätt en termometer i vardera bägaren och mät temperaturen.
  4. Blanda 2,5 dl koksalt med isen i bägare A.
  5. Mät och anteckna temperaturen i respektive bägare var 5:e minut.
  6. Tillsätt ytterligare 1,25 dl koksalt i bägare A efter 15 och efter 25 minuter. Fortsätt mäta temperaturen under 30 minuter.
  7. Undersök isglassarna vid slutet av experimentet. Jämför vilken som har frusit bäst och hur hårda de blivit.

Du kan äta upp det du framställt under förutsättning att du inte arbetat i ett laboratorium.

Variation

Aktivitet A med kalciumklorid i stället för natriumklorid.

Förklaring

Det vi undersöker i experimentet är att ändra fryspunkten hos en lösning (vatten). Rent vatten fryser vid 0 ºC, kristaller bildas när vattnets molekyler ordnas i ett regelbundet mönster. När natriumklorid tillsätts bildas en lösning. Lösningen påverkar inordningen av vattenmolekylerna i iskristallen. Därför krävs att mera kinetisk energi (värme) avlägsnas från lösningen för att den ska kunna frysa. De gör att fryspunkten sänks. Dessutom gäller att ju fler partiklar av det lösta ämnen saltet som tillförs, desto mer kinetisk energi måste föras bort. Ju högre koncentrationen av det lösta ämnet är , desto lägre blir fryspunkten. [1]

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Natriumklorid


Fig. 1: Vanligt koksalt (NaCl)
Blått = natriumjoner,
Grönt = kloridjoner [6]
Salt (natriumklorid) är en jonförening. Alla salter är lösliga med undantag för vissa salter av silver (Ag+), bly (Pb2+) och kvicksilver (Hg22+). Kokasalt varierar i färg från färglöst när det är rent, till vitt, grått eller brunaktigt, den typiska färgen för koksalt i naturen (halit). Koksalt innehåller 60,66 vikts-% klor (Cl) och 39,34 vikts-% natrium (Na). Atomvikten för klor är 35,4527 g/mol och för natrium 22,989768 g/mol.

Natriumjonen är katjon vilket betyder att dess atom förlorar en elektron när den binder till klor och får en positiv laddning. Klorid är en anjon. Den har tagit emot en elektron och har negativ laddning [12]. Jonstrukturen hos NaCl kallas för ett gitter. Saltkristallerna är kuber därför att det är den grundläggande strukturen hos gittret.

Vatten

Vattenmolekyl [3]
Fig. 2: Vattenmolekylen
är polär [3]
Vatten är en polär molekyl vilket betyder att, trots att molekylen är oladddad, så är syret något negativt laddat och väteatomerna något positvt laddade [3]. Vatten är ett bra lösningsmedel.

Salt och vatten tillsammans

Om vi sätter ett salt till en lösning, t ex koksalt i vatten, så bryts bindningarna mellan jonerna och vattenmolekyler kommer att omge jonerna på så sätt att syret i vattnet lägger sig nära de positiva jonerna, i detta fall natrium, och vätena lägger sig nära de negativa jonerna, kloriden [3]. Detta är ett exempel på hur ett salt dissocieras och solvatiseras.

Solvatisering
Fig. 3: Solvatisering av joner

När is och salt blandas smälter isen och tar upp energi från det flytande vattnet, och hela blandningen blir kallare. Smältning kräver energi. Den största temperatursänkningen man får är -21º C när 23 g salt sätts till en vatten-isblandning så att vikten tillsammans blir 100 g. Just denna blandning kallas eutektikum [4], den blandning vars smältpunkt är lägre än varje annan blandning som tillretts av samma ingredienser.

Saltet sänker fryspunkten hos vattnet. Om du sätter 1 mol (58,5 g) of natriumklorid till 1000 g vatten så fryser lösningen vid -3,72 ºC. Det beror på att 1 mol of NaCl producerar 2 mol partiklar [5].

Varifrån kommer allt detta salt? Geologerna tror att alla saltsedminent skapades ur haven eller innestängda saltvattenbassänger. Avdunstningen lämnande drivor av salt som ofta begravdes när bergarter bildades genom andra sedimentationsprocesser [9].

Tre sätt att utvinna salt [9]

Vanlig brytning i saltgruvor

Man borrar och spränger gruvgångar.

Urlakning

Sötvatten pumpas ned i en brunn som leder ner i saltsedimenten. Genom en andra ledning tar man upp saltlösningen som sedan får avdunsta i stora vacuumpannor där saltet kristalliserar till stora "granuler". Sådant salt används för matlagning, för konservering av livsmedel och i andra industriella processer.

Avdunstning i solbelysta bassänger

Havsvatten leds in i stora, grunda bassänger i strandlinjen. Den naturliga avdunstningen på grund av sol och vindar gör saltlösningen koncentrerad. Den koncentrerade saltlösningen flyttas mellan dammarna till dess den kristalliserar och kan samlas in.

Användning av koksalt [7,11]

Salt (NaCl) har många användningsområden förutom att göra vintervägarna säkrare för motortrafikanter.

Näring åt människor och djur

Behandling av vatten

När vatten innehåller kalcium och magensium sägs det vara hårt. Om ditt vatten är hårt så behöver du mer tvål och tvättmedel för att tvätta eftersom skum inte bildas. Reaktionen mellan tvål och hårt vatten ger en grå, kladdig fällning som gör att tyget känns strävt och som lämnar vattenfläckar på på tallrikar och bestick. Kalkavlagringar byggs upp i varmvattenberedare och i industrella kokpannor, vilket orsakar energiförluster och förkortad livslängd på utrustningen. Vatten behandlas eller mjukgörs genom att ta bort kalcium- och magnsesiumjoner och ersätta dem med "mjuka" natriumjoner.

Pappersmassa and papper

Andra industrier

Det är inte allt. Det finns många fler användningsområden för nartuimklorid som jag säkert glömt, men uppräkningen är bara för att visa hur användbar denna förening är.

En kort historik [10]

Salt, natriumklorid, är en nödvändig produkt inte bara i människornas diet, utan även för djur och vissa växter. Det har spelat en avgörande roll i historien.

Salt användes allmänt långt före historisk tid. Det finns en skrift från Kina från cirka 2 700 år f.&nsbp;Kr. där man diskuterar 40 olika sorters salt och dessutom metoder att framställa salt. Dessa metoder var mycket lika de processer vi använder idag.

I det gamla Grekland användes salt som betalningsmedel för att köpa slavar. Det är därifrån uttrycket "not worth his salt" kommer. Speciella saltransoner gavs till tidiga Romerska soldater och de gamla Etiopierna använde saltskivor som ett slags pengar.

Saltskatt utmättes i många länder och var en viktigt orsakt till den Franska revolutionen. Den Franske kungen byggde upp ett saltmonopol genom att sälja ensamrätten att producera salt till några få utvalda som utnyttjade denna rätt så långt att salt blev en bristvara. Saltskatter understödde Brittiska kungar och tusentals Britter fängslades för att ha smugglat salt. Indiska saltmakare kommer fortfarande i håg den framträdande roll som saltet hade i Mahatma Ghandi's motstånd mot det Brittiska kolonialstyret. Eire-kanalen Förenta Staterna byggdes för att förenkla transporten av salt.

I de Slaviska länderna har man som tradition att ge salt till bruden och brudgummem för att symbolisera hälsa och lycka. I andra kulturer är på motsvarande sätt salt ett av de tre viktigaste varorna i ett nytt hem och som måste finnas i skafferiet, annars blir det ingen hälsa och lycka i det nya hemmet. De andra två är mjöl och socker.

Man förstod snart att frysegenskaperna hos salt och is kunde vara till stor hjälp föra att tillverka den nu mycket omtycka rätten glass. Långt innan man upptäckte kylen/frysen så tillverkades glass med hjälp av reaktionen när NaCl blandades med is. Det finns många berättelser, vissa är myter och andra folktradition. men frusna desserter som sorbet serverades i det gamla Kina. Om de använde is och salt eller salt eller bara snö vet man inte säkert. Marco Polo kom tillbaka till Venedig med berättelser om denna isiga dessert. Naturligtvis trodde ingen på honom. Men i renässansens Italy, på 16-talet, kom de första recepten på glas. Det finns också en berättelse om Karl den förste av England, också på 16-talet, hur han bjöd på denna ljuvliga rätt. Hans Franske kock, DeMirco, blev tillsagd att hålla receptet hemligt och fick 500 pund för det. Hur och precis när man upptäckte att saltning av kunde användas som kylmedium för att göra sorbet och glass är inte känt [13].

Fördjupning

Aggregationsform

Faserna och fasövergångarna

Allt som finns runtomkring oss är antingen fast, flytande (vätska) eller i gasform. Dessa former kallas aggregationsformer (aggregation = hopklumpning) eller faser. Atomerna (eller molekylerna) i de olika faserna har olika stort energiinnehåll, olika stor rörelse, och har därför olika volym.

Fast form vid låg temperatur

Vid den absoluta nollpunkten, -273°C = 0 K, finns ingen atomrörelse (K är Kelvin, enheten för absolut temperatur). Alla ämnen är fasta och atomerna ligger regelbundet ordnade så tätt som möjligt. Om temperaturen höjs börjar atomerna vibrera kring sina jämviktslägen. Det fasta ämnet behåller sin form och inom måttliga temperaturintervall och volymen är nästan konstant. Massan är densamma.

Den lilla utvidgning som sker vid värme kan räcka för att lossa en mutter genom att värma på den. Förr var man tvungen att lägga järnvägsräls med mellanrum i skarvarna, för att undvika att rälsen böjde sig under varma dagar, s.k. solkurva. Nutidens järnvägsräls läggs av en formbeständigare metallblandning.

Övergår till vätska (blir flytande) när temperaturen når smältpunkten

När temperaturen stiger ytterligare rubbas atomerna ur sina jämviktslägen. De börjar glida i förhållande till varandra och har blivit en vätska. Fasövergången sker vid smältpunkten. Så länge det finns fast material ligger temperaturen kvar på smältpunkten och stiger inte, även om man tillför värme. Det beror på att all energi går åt till fasövergången. Vätskor ändrar form efter de kärl de förvaras i och har i allmänhet något större volym än samma ämne i fast form (Känt undantag är is, som har större volym än samma mängd vatten pga lucker kristallstruktur hos isen). Mellan molekylerna i vätskan finns sammanhållande krafter. Massan är densamma i vätskan som i den fasta fasen.

Övergår till gas när temperaturen når kokpunkten
En gas fyller upp hela det kärl som den förvaras i.
Bild: © Svante Åberg

Om temperaturen i vätskan höjs, ökar molekylernas rörelseenergi och till slut får några så stor energi att de lämnar den flytande fasen. Övergången från vätska till gas sker när temperaturen nått kokpunkten. Det har bildats en gas. Gasen har ingen bestämd form. Den anpassar sig efter det utrymme den finns i, eftersom molekylerna är helt fria från varandra och färdas rakt fram ända till dess de stöter på någonting, som kan vara kärlets väggar. De krockar också med varandra och byter riktning men dessemellan färdas de "långa" sträckor i absolut tomrum. Gasen har mycket större volym än samma mängd ämne i flytande form och molekylerna i en gas är så långt ifrån varann att de inte påverkar varann. Därför blandas olika gaser lätt. Volymen hos en gas är beroende av temperaturen. Med högre temperatur ökar molekylernas rörelsehastighet, krockarna mellan molekylerna och väggarna blir hårdare. Kollisionerna med väggarna är det vi kallar tryck. Kan väggen utvidgas ökar volymen, i annat fall ökar trycket. Massan är densamma.


Fasövergångarna har bestämda namn. När temperaturen öker sker smältning och förångning (kokning). När temperaturen minsakar sker de motsatta processerna som kallas kondensation och stelning. Observera att smältpunkten och stelningspunkten är exakt samma temperatur. På motsvarande sätt är kokpunkten och kondensationspunkten (för den rena gasen) samma temperatur.

Sublimering


Fasdiagram för koldioxid.
Ben Finney Mark Jacobs: CC0

Fasta ämnen kan övergå direkt till gas utan att först bli vätska. Förutsättningen är att temperatur och tryck befinner sig under ämnets trippelpunkt i ett fasdiagram. Man säger att ämnet sublimerar. Det är en endoterm process, dvs. en process som kräver energitillförsel. Oftast tas energin i form av värme från om givningen, vilket innebär att temperaturen sjunker.

Den motsatta processen när gas övergår direkt till fast form utan att först bilda en vätska kallas desublimering eller deposition. Den processen är exoterm, dvs. avger energi, vanligen i form av värme. Även denna process kan bara ske när tryck och temperatur ligger under ämnets trippelpunkt.

Superkritisk vätska

Över en viss temperatur och visst tryck går det inte längre att urskilja någon fasgräns mellan vätska och gas. Densiteten är hög, praktiskt taget som hos en vätska. Den höga temperaturen får molekylerna att fritt röra sig mellan faserna så att fasgränsen upplöses.

Den superkritiska vätskan har egenskaper utöver det vanliga. Den har förmåga att diffundera genom många fasta material på samma sätt som en gas gör. Samtidigt har den förmåga att lösa ämnen på samma sätt som en vätska gör. Förmågan att fungera som lösningsmedel gör att den i vissa tillämpningar kan ersätta organiska lösningsmedel, till exempel i extraktioner.

Koldioxid är ett ämne som ofta används i tillämpningar med superkritiska vätskor.

Plasma är en fjärde aggregationsform

De tre vanliga aggregationsformerna fast, flytande och gas bestäms av bindningarna mellan atomerna eller molekylerna. Ju varmare det är, desto lösare är atomer och molekyler kopplade till varandra.

Men vid tillräckligt hög temperatur sker någon helt annorlunda, nämligen att elektroner i atomerna slits loss och man får en blandning av positiva atomjoner och fria elektroner. Det är en typ av gasblandning som är elektriskt ledande.

Solen innehåller plasma

Sådan plasma finns i solens atmosfär. Eftersom den är elektriskt ledande, så fångar plasman också upp de starka magnetfälten från solens inre. Vid soleruptioner slungas plasma ut i världsrymden och man kan se hur magnetlinjerna i plasman håller samman plasman i böljande stråk. Dessa utkastningar av laddade partiklar strålar sedan vidare ut från solen och når så småningom jorden. Eftersom rymden är så tom har elektronerna och atomjonerna svårt att hitta varandra igen och återförenas till normala atomer. Därför är partikelstrålningen från solen elektriskt laddad. När partiklarna kommer in i jordens magnetfält tunnlas de ned via magnetfälten vid nord- och sydpolen. När de laddade partiklarna kommer ned till jordatmosfären sker kollisioner med luftens atomer och molekyler. De energier som då utvecklas ger det norr- och sydsken som man kan se mörka, klara vinternätter.

Andra exempel på plasma

I blixtar blir också temperaturen tillräckligt hög för att luftens atomer ska bilda plasma. Det gör att elektriska urladdningar kan ske via blixtens väg mellan molnen och jorden.

En eldslåga innehåller plasma. Faktiskt avger en stearinljuslåga joner till den omgivande luften. Dessa joner kan urladda statisk elektricitet. Om du har en dammvippa av syntetiska fibrer och du har laddat upp den med statisk elektricitet, så kan du observera vad som händer om du närmar den ett brinnande ljus. Redan på håll, så urladdas den statiska elektriciteten. Det beror på att jonerna accelereras till vippan av det elektriska fältet kring den statiskt uppladdade vippan. Detta experiment fungerar bara om luften är tillräckligt torr, annars kan man inte ladda upp vippan. Därför fungerar experimentet bäst vintertid då inomhusluften är torrare.

Konstgjord plasma finns också i lysrör och i plasmaskärmar för datorer.

Fasövergångar och bindningar

Det är lätt att konstatera att smält- och kokpunkter för ämnen kan variera mycket. Vissa ämnen är svåra att tänka sig på annat än ett sätt till vardags. Sten, koksalt och stål är fasta, bensin och alkohol är flytande och luft och gasol är gaser. Många vet också att i extrema fall, t ex i vulkaner, flyter mineralerna (stenen) och att när man svetsar flyter stålet. Det enda ämne man i vardagen möter i alla tre aggregationsformerna är vatten.

Starka bindningar ger höga smält- och kokpunkter

Mineraler och metaller är alltså exempel på ämnen med hög smältpunkt. Att det är så beror på styrkan hos de bindningar som håller ihop ämnena. Alla salter är uppbyggda av joner.

Attraktionskraften mellan positiva och negativa joner, jonbindning, är stark och salter har därför hög smältpunkt.

Mellan de enskilda atomerna i en metall finns metallbindning. Metallbindningen utgörs av de ingående atomernas valenselektroner som bildar ett gemensamt elektronmoln för hela "metallbiten". För att bryta den bindningen krävs mycket energi, vilket ger hög smältpunkt. Ett känt undantag är kvicksilver, en metall som är vätska vid rumstemperatur och alltså har svagare metallbindning.

Även kovalent bindning när atomer delar elektroner kan vara mycket stark. Faktum är att diamant och grafit, kolatomer sammanhållna av kovalenta bindningar har högre smältpunkt än alla metaller.

Svaga bindningar ger låga smält- och kokpunkter

Ämnen uppbyggda av molekyler (eller atomer som i ädelgaserna) har starka kovalenta bindningar mellan atomerna inom molekylerna men svagare bindningar mellan molekylerna. Det gör att smält- och kokpunkten blir relativt låg.

Den svagaste bindningen finns mellan molekyler och atomer är van der Waalsbindning. Den uppkommer pga mycket tillfälligt ojämnt fördelade elektronmoln hos opolära molekyler (atomer). Bindningarna finns både i fast fas och vätskefas. Eftersom bindningen är så svag blir smältpunkten låg, i många fall nedåt eller under -200°C. Den svaga bindningen gör också att skillnaden mellan smält- och kokpunkt blir liten.

Mellan ämnen som är dipoler förekommer dipol-dipolbindning där den positiva polen hos en molekyl attraherar den negativa hos nästa. Smält- och kokpunkten blir låg men högre än med enbart van der Waalsbindning.

För vissa ämnen som är dipoler är smält- och kokpunkten oväntat hög och avståndet mellan smält- och kokpunkten relativt stort. Vatten är ett bra exempel på detta. Det måste bero på starkare bindning än enbart mellan dipoler. De ämnen som har de egenskaperna innehåller alla väte. Vätet är bundet till en fluor-, syre- eller kväveatom, som drar till sig elektronparet i bindningen. Vätet blir positivt och kan attraheras av icke-bindande elektronpar på t ex en syreatom på en intilliggande molekyl. Det bildas en vätebindning. Den är starkare än van der Waalsbindningen och dipol-dipolbindningen. Vätebindningar har stor betydelse för att stabilisera strukturen i bl a proteiner och DNA.

Vatten

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Den kemiska formeln är alltså H2O. Vatten är det enda kemiska ämne som naturligt förekommer både i fast, flytande och gasform. Det är också ett av de absolut vanligaste ämnena på jorden.

Vattnets ovanliga egenskaper

Vatten har en ovanligt stor förmåga att lagra värme. Oceanerna spelar en viktig roll i jordens klimat genom att stabilisera temperaturerna. Vattenströmmarna i haven transporterar varmt vatten från ekvatorn mot polerna och kallt vatten från polerna tillbaka mot varmare områden. Dessa strömmar djupt ned i havet är som gigantiska osynliga floder som slingrar sig runt hela jordklotet. Strömmarna bidrar också till att transportera näring till områden där djur- och växtliv frodas i överflöd.

Vattnet är tyngst vid +4 °C.
Bild: © Svante Åberg

Vatten har den ovanliga egenskapen att när det fryser (stelnar), så får den fasta formen av ämnet lägre densitet än den flytande. Den lägre densiteten gör att is flyter ovanpå vatten. Tack vare det bottenfryser inte sjöar. I stället lägger sig isen som ett värmeisolerande täcke ovanpå sjöarna och fiskar, grodor och växter kan leva vidare i väntan på nästa vår. Snön som lägger sig ovanpå isen är extra värmeisolerande på grund av att den innehåller mycket luft. Snön är också fruset vatten, men snökristallerna gör att den inte packas så tätt.

Vatten är också ett ovanligt bra lösningsmedel. Det är ett polärt lösningsmedel, vilket innebär att det har förmågan att lösa ämnen som är mer eller mindre laddade. Det medför att vatten kan lösa salter ur jorden och berggrunden, men också att vatten kan lösa de många olika biologiska molekyler som finns i cellerna i djur och växter. Lösta ämnen kan diffundera, dvs. spridas ut i vätskan. Tack vare det kan olika molekyler träffa på varandra i cellvätskorna och reagera. Om molekylerna inte hade denna rörlighet skulle de biokemiska reaktionerna i kroppen stanna av och vi skulle varken kunna röra oss, tänka eller växa.

Vatten har ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen gör vattendroppar runda, gör så att skräddare kan gå på vattenytan. Ytspänningen ger också kapillärkraft som hjälper träden kan "dra" upp vatten via sina kärl flera 10-tals meter. Det är mycket mer än när man har en vanlig sugpump. Då är 10 m den maximala höjden man kan pumpa vatten (beroende på att atmosfärstrycket inte motsvarar en högre vattenpelare än så).

Vattnet är livsnödvändigt

Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena på jorden. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Vatten är en mycket stabilt ämne. Det vatten som finns på vår planet är därför till stora delar mycket gammalt, speciellt det som finns på stort djup i marken och bergen. Men trots att vatten är mycket stabilt så deltar det i de kemiska reaktioner som sker i samband med fotosyntes och respiration. Fotosyntes och respiration fungerar som ett kretslopp i naturen. I fotosyntesen kopplas vatten samman med koldioxid när sockerarter och andra organiska ämnen byggs upp. Stärkelse är exempel på en sockerart som växterna bildar för att lagra energi. Cellulosa och lignin som finns i veden är ett annat exempel.

När djur och människor äter växter förbränns maten och sönderdelas till vatten och koldioxid igen. Kretsloppet i naturen är ett nollsummespel där mängden vatten i stort sett inte ändras. Vattnet som binds i växter och djur kommer snart tillbaka ut i naturen igen och bildar moln, regn och vattendrag.

Eftersom vi är så beroende av vatten för att dricka och laga mat, tvätta oss, för bevattning av odlingsmark, i olika industriella processer med mera, så är vattenkvalitén viktig. Vanligen duger bara sötvatten. Men av allt vatten på jorden är bara en mycket liten del sötvatten. Och av sötvattnet är det mesta bundet i glaciärer. Visserligen har vi gott om rent sötvatten i vårt land, men i många länder är rent vatten en bristvara. Det är därför väldigt viktigt att vi inte förorenar det rena sötvatten som finns, utan är rädd om det och använder det på ett förståndigt sätt.

Vattnet blev referens för temperaturskalan

Vattnets fryspunkt är 0 °C och kokpunkten 100 °C vid normalt lufftryck. Det är ju praktiskt och enkelt med så jämna siffror. Det blev så därför att man valde vatten som referens när temperaturskalan skulle definieras på förslag av Anders Celsius åt 1742. I själva verket satte Anders Celsuis 0 °C vid kokpunkten och 100 °C vid fryspunkten, men senare insåg man att det var mer logiskt att ha det högre värdet när det var varmare. På förslag av Carl von Linné vände man på skalan efter Celsius död, så han Anders Celsius fick själv inte veta att det hade hänt.

När man sedan insåg att det finns en absolut nollpunkt på temperaturskalan definierade man Kelvin-skalan. Avståndet mellan värdena i Kelvin-skalan är exakt lika stort som i Celsius-skalan, men de har olika nollpunkter:
0 K = -273.15 °C och 0 °C = + 273.15 K

Vätebindningar karaktäriserar vattenmolekylen

Vätebindningarna i vatten.
Modifierad av Michal Manas, original av Qwerter (modell): CC BY-SA 3.0, bild

Vattnets polaritet är mycket hög. Polariteten beror på vätebindningar. Vätebindningen är en extra stark dipolbindning som håller samman de olika laddade ändarna hos två vattenmolekyler. Vattenmolekylens syre är lite minusladdad på grund av att syret drar till sig elektronerna i molekylen effektivt. De två vätena är lite plusladdade eftersom de inte drar till sig elektronerna lika bra och den positiva laddningen väteatomens kärna då överväger. Men som helhet är vattenmolekylen oladdad.

Vätebindningarna ger hög ytspänning

Tack vare vätebindningen attraherar vattenmolekylerna varandra extra mycket. Vätebindningarna får vattenmolekylerna att hålla samman i långa kedjor och nätverk, men det är bindningar som hela tiden bryts och återbildas. Styrkan i vätebindningen gör att både smältpunkten och kokpunkten är betydligt högre än man annars skulle förvänta sig.

Vätebindningen gör också att vatten har en ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen är ett mått på den sammanhållande energin i vätskeytan.

Vinklad molekyl ger hexagonal struktur

I flytande vatten (vänster) är strukturen oordnad. I fast is (höger) är strukturen ordnad hexagonal och tar då större plats.
Bild: © Svante Åberg

Vätebindningen och det faktum att vattenmolekylen är vinklad gör att vatten i kristallform, dvs. is, har en hexagonal (sexkantig) struktur med tomrum inuti sexhörningarna. Dessa tomrum gör att isen har lägre densitet än flytande vatten.

Det normala är att densiteten hos en vätska ökar när temperaturen sjunker. Det beror på att molekylrörelserna blir mindre häftiga och molekylerna därför inte knuffar bort varandra lika mycket. Även vatten ökar sin densitet när temperaturen sjunker, men bara ned till +4 °C. Blir det ännu kallare minskar densiteten igen. Det beror på att den hexagonala strukturen som vätebindningarna och den vinklade vattenmolekylen orsakar börjar bildas så smått redan innan vattnet fryser till is.

Vattnets syra-basegenskaper

Vatten är ett amfotert ämne. Det betyder att vatten kan fungera både som syra och som bas. Vatten deltar därför i många syra-basreaktioner. Till exempel reagerar vatten med koldioxid och bildar kolsyra som sedan bildar vätekarbonat och karbonat. Det finns flera gaser som bildar syror tillsammans med vatten. Till exempel reagerar svaveltrioxid till svavelsyra och kvävedioxid reagerar med vatten till salpetersyra.

Surhetsgraden anges med pH. pH är definierat bara i en vattenlösning, så vatten är i praktiken universallösningsmedlet för syror och baser i kemiskt arbete.

Natriumklorid

Natriumklorid är en kemisk förening av natrium och klor med formeln NaCl. I dagligt tal säger via bara "salt" eller "koksalt" när vi talar om natriumklorid, men det är bara ett av många olika salter som existerar. Koksalt är ett lättlösligt salt. Det används i matlagningen för smaksättning, men det fungerar också som konserveringsmedel. Bakterier kan nämligen inte växa om salthalten blir för hög.

Det finns olika kvalitéer av natriumklorid.

  1. Råsalt - Om man samlar vattnet från t ex hav eller sjö i stora bassänger (s.k. saliner) och låter vattnet avdunsta kan man ta vara på det salt som naturligt finns i vattnet. I riktigt varma länder kan salt också utvinnas när naturliga saltöknar bildas. Bergssalt etc utvinns från berggrunden i speciella saltgruvor. Råsalt är ett orenat salt med stora korn, som man vanligen ser i form av ett grovsalt och det kan ha olika färgtoning.
  2. Natriumklorid - Den rena formen tillverkas genom att naturligt råsalt löses i vatten, kokas och omkristalliseras. Det kan också tillverkas kemiskt när klor får reagera med natrium, reaktionen är mycket häftig och utvecklar både starkt gulaktigt sken och intensiv värme. Saltet som bildas är ett fint, vitt kristalliniskt pulver eller färglösa, vitaktiga kristaller.
  3. Hushållssalt - Råsaltet renas, natriumklorid/renat råsalt ges tillsatser. Dagens hushållssalt känner vi igen som vitt, finkornigt och lättrinnande.

Förekomst

Både natrium och klor är mycket reaktiva ämnen och förekommer därför inte som rena ämnen i naturen. Eftersom natriumjonerna och kloridjonerna har motsatt elektrisk laddning attraheras de kraftigt till varandra och bildar då koksalt.

Natriumklorid finns i stora mängder i haven. Ursprungligen kommer saltet från berg som vittrat och lakats ur av vatten. Vattnet har runnit ned till havet där saltet blivit kvar. Havsvattnet avdunstar och bildar moln som sedan fäller sitt vatten över land. Vattnet ingår därför i ett kretslopp. Men koksaltet kan inte avdunsta. Därför stannar saltet kvar i haven.

Det händer att hav torkar in. Ett aktuellt exempel är Aralsjön i Centralasien. Ett annat exempel som inträffade för ungefär 6 miljoner år sedan var när Medelhavet blev torrlagt därför att det tappade kontakten med Atlanten. Vattnet avdunstande och det bildades en saltskorpa som på sina ställen var flera hundra meter tjock. Saltavlagringarna begravdes sedan så att de nu är gömda i underjorden. Sådana geologiska händelser kan föra bort natriumklorid från havsvattnet, och det har hänt många gånger i jordens historia.

Utvinning av salt sker dels genom brytning i gruvor där man har saltavlagringar, dels genom att låta havsvatten avdunsta och samla ihop saltet som blir kvar. Saltet är inte rent koksalt, för det finns även mindre mängder av bland annat magnesiumklorid i havsvattnet. Salthalten i de stora världshaven ligger kring 2,5 – 3,5 %. Av detta salt utgör natriumkloriden cirka 78 %.

Användning

NaCl har i alla tider varit av mycket stor kommersiell betydelse och är nu en av de allra viktigaste industriråvarorna. Den är råvara för praktiskt taget alla natrium- och klorföreningar och förbrukas dessutom i stora mängder som krydda och konserveringsmedel för olika matvaror.

Koksaltet blev tidigt en av världens viktigaste handelsvaror. Under medeltiden bröts stora mängder salt i gruvor i Tyskland och Österrike. Saltet forslades sedan norrut via den så kallade Saltvägen, Via Salaria. När Indien frigjorde sig från Storbritannien demonstrerade man symboliskt mot den Brittiska överhögheten med att genomföra en marsch som protest mot saltskatten.

Koksalt används som issmältningssalt (vägsalt) på våra vägar vintertid. Saltet sänker smältpunkten för is, vilket gör att om temperaturen bara ligger på enstaka minusgrader så kan isen töa bort. Problematiskt är att saltet skadar grundvatten och växtlighet och att det orsakar kraftig rostbildning på fordon och släp som inte har ett fullgott rostskydd.

Egenskaper hos natriumklorid

Kristall av natriumkloridtyp,
med kubiskt gitter.

Koksalt, NaCl, kristalliserar vanligen i kuber med en struktur av natruimkloridtyp. Om kristallisationen sker ur vattenlösning uppstår lätt vatteninneslutningar som vid upphettning sprängs med ett knastrande ljud, saltet ”dekrepiterar”. Smältpunkten för natriumklorid är 801 ºC, kokpunkten 1440 ºC. Som mineral kallas natriumklorid ofta stensalt och är ofta blåfärgat. Den blå färgen beror på närvaron av så kallade F-centra, som troligen uppstått genom strålning från radioaktiva kaliumatomer, 40K, som är inbyggda i kristallen.

Ren natriumklorid är inte hygroskopisk, men handelns koksalt är ofta förorenad av hygroskopiska magnesiumsalter som gör att saltet tar upp fukt från luften.

Fysiologisk saltlösning i människor och djur

Man är ganska säker på att livet en gång uppstod i haven och att levande varelser därefter sökte sig upp på land. Djurens kroppsvätskor innehöll salt, och det är ett arv som vi har från forntiden. Salthalten i kroppens celler är 0,9 %. En saltlösning med denna koncentration kallas för fysiologisk saltlösning. Om man injicerar vätska i kroppens vävnader eller i blodomloppet måste salthalten vara fysiologisk. Annars sker osmos som antingen får cellerna att torka ut eller att svälla och kanske spricka.

Osmos är när vatten vandrar genom ett halvgenomträngligt membran från den sida där det finns mest vatten, vilket är på den sida av membranet som salthalten är lägst, och vandrar till den andra sidan av membranet där vattenhalten är lägre och salthalten högre. Om man injicerar rent vatten kommer cellerna att ta upp vatten, svälla och kanske spricka. Om man injicerar vätska med för hög salthalt skrumpnar cellerna när vattnet vandrar ut ur dem.

Man kan utnyttja att saltet drar ut vatten ur cellerna för att konservera matvaror. Bakterier, mögel och annat kan då inte växa eftersom de torkar ut. Då förstörs inte heller maten. Salt sill från Norge och salt fläsk från Amerika var basföda för en stor del av befolkningen i Sverige förr i tiden. Nu vet vi att det inte är nyttigt att äta för mycket salt. Saltet tenderar att höja blodtrycket. Det har också med osmosen att göra.

Men kroppen behöver salt. När människor och djur inte har tillgång till salt så blir saltet åtråvärt. Älgar och renar är förtjusta i saltstenar som man sätter upp. De får inte i sig så mycket salt i den mat de äter naturligt.

Allvarlig saltbrist kallas hypnoatremi och är ett tillstånd där halten natriumjoner och blodet är för lågt. Normalt har njurarna kapacitet att utsöndra överflödigt vatten, men det har hänt att personer i samband med sportutövning eller bantning har druckit extremt mycket vatten under kort tid och råkat ut för vattenförgiftning. Kroppens celler tar då upp vatten och sväller till onormal storlek. Symptom är desorientering, huvudvärk och yrsel som uppstår när blodflödet hindras. Man blir illamående och talet blir sluddrigt. Tillståndet är allvarligt och kan i sällsynta fall leda till döden. LD50 är den dos som gör att 50 % av personerna avlider. För vatten är LD50 ≈ 6 liter för en vuxen person.

Motsatsen, för högt intag av koksalt, är också farligt. För natriumklorid är LD50 ≈ 12 g NaCl/kg kroppsvikt. Om du t.ex. väger 50 kg så är risken att avlida 50 % om du äter 600 g koksalt.

Litteratur

  1. Ice Cream, The Science House, North Carolina State University
    http://www.science-house.org/learn/CountertopChem/exp15.html (2004-10-08)
  2. Physical and Chemical Change, Ginn
  3. Aqueous solution chemistry,
    http://ull.chemistry.uakron.edu/analytical/Aqueous/ (2003-08-14)
  4. Christie L. Borgford, Lee R. Summerlin, Chemical Activities, 1988, pp 299-301, American Chemical Society, Washington, DC.
  5. Wilbraham, Staley and Matta, Chemistry, 1997, Addison-Wesley.
  6. Salt Institute Home Page, Salt Institute
    http://www.saltinstitute.org/ (2003-08-14)
  7. What is Salt?, Salt Institute
    http://www.saltinstitute.org/15.html (2003-08-14)
  8. The many uses of Salt, Salt Institute
    http://www.saltinstitute.org/16.html (2003-08-14)
  9. Chemical reaction of NaCl, Salt Institute
    http://www.saltinstitute.org/42g.html (2003-08-14)
  10. Salt Formation, Salt Institute
    http://www.saltinstitute.org/42j.html (2003-08-14)
  11. Salt Around the World and Through the Ages, Salt Institute
    http://www.saltinstitute.org/42m.html (2003-08-14)
  12. How elements form compounds?, World of Chemistry @Janevonne's
    http://www.geocities.com/janevonne/form_compounds.html (2003-08-14)
  13. The Dorling Kindersley Science Encyclopedia, 1998, Dorling Kindersley ltd., London.
  14. Finding Science in Ice Cream, University of Guelph
    http://www.foodsci.uoguelph.ca/dairyedu/findsci.html (2003-08-14)
  15. Ishandboken, Lennart Fransson, Tekniska Högskolan i Luleå
    http://www.luth.se/depts/lib/coldtech/ct94-1.html (2003-08-14)
  16. Hur fiskar överlever i kallt vatten och under is., Eva Brännäs
    http://www-umea.slu.se/fisk/sve/fragor/1F15.htm (2003-08-14)
  17. Water Science for Schools, U.S. Geological Survey (USGS)
    http://ga.water.usgs.gov/edu/ (2004-10-08)
  18. Sodium Chloride, NaCl, HyperPhysics, Georgia State University
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/molecule/nacl.html (2003-08-14)
  19. MetLink International Weather Project, MetLink International
    http://atschool.eduweb.co.uk/radgeog/MetNetEur/MetNetEur.html (2003-08-14)

Fler experiment


aggregationsformer
Avdunstning och temperatur
Badbomber
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den tillknycklade plåtburken
En märklig planta
Ett glas luft
Exempelfil_Försvinnande bläck (Erik Lövbom)
Fryspunktsnedsättning
Förtenning
Gore-Tex, materialet som andas
Gör ditt eget läppcerat
Gör ett avtryck från papper till stearin
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur kan man göra kläder av plast?
Hur mycket vatten finns i maten?
Kemi i en brustablett
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Lödtenn 60
Molnet i flaskan
Myggmedel - hur funkar det?
Osynlig gas
Platta yoghurtburkar
Popcorn
Saltat islyft
Slime
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Studsboll
Syrehalten i luft
Tillverka en parfym och gör doftande skraplotter
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenvulkan
Ägget i flaskan

fysikalisk kemi
Avdunstning och temperatur
Bestäm CMC för diskmedel
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Blandningar av lösningsmedel
Blå himmel och röd solnedgång
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den tillknycklade plåtburken
Den tunga koldioxiden
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Diska med äggula
En märklig planta
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Ett glas luft
Ett lysande experiment - Kemiluminiscens
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Flaskor mun mot mun
Flyter isen i matoljan?
Frigolit i aceton
Fryspunktsnedsättning
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gelégodis i vatten
Gore-Tex, materialet som andas
Gummi och lösningsmedel
Gummibandets elasticitet
Gör ett avtryck från papper till stearin
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur mycket vatten finns i maten?
Håller bubblan?
Identifiera plasten
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Klorofyllets röda fluorescens
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Ljuset under glaset
Lödtenn 60
Löslighet och pH - En extraktion
Maizena gör motstånd
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Molnet i flaskan
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
När 1 plus 1 inte är 2
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Osynlig gas
pH i kokt mineralvatten
Platta yoghurtburkar
Saltat islyft
Se genom papper
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Stärkelse och vatten - fast eller flytande?
Såpbubblor
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka en ytspänningsvåg
Trolleri med vätskor
Undersök en- och flervärda alkoholer
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenrening
Vattenvulkan
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Värmeutvidgning
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen