Kemi i en brustablett

Tillhör kategori: aggregationsformer, jämvikt, urval experiment under revidering, vardagens kemi

Författare: Stina Karlsson

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

Kemi i en brustablett

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Laborationen visar att det tar olika lång tid att lösa upp en brustablett beroende på om man löser den i vatten eller i läsk.

Riktlinjer

Laborationen genomförs som ett elevförsök, eventuellt som hemlaboration med efterföljande diskussion i skolan.

Säkerhet

I detta försök ingår inga farliga ämnen. Lösningarna bör dock genast hällas bort om man använder sig av läkemedelsbrustabletter. Vanliga C-vitaminbrustabletter eller Samarin rekommenderas.

Materiel

Förarbete

Inget mer förarbete än framplockning krävs.

Utförande

Glas med brustablett
Foto: © Patrik Jansson

  1. Fyll det ena dricksglaset till 3/4 med vatten och det andra till 3/4 med den kolsyrade läsken.
  2. Släpp ner en brustablett i vattenglaset samtidigt som du startar tidtagningen för att se hur lång tid det tar innan brustabletten lösts upp fullständigt.
  3. Släpp sedan ner en brustablett i glaset med kolsyrad läsk och mät hur lång tid det tar för tabletten att lösas upp.
    (Jämförelsen kan även göras utan tidtagning. Då utförs steg 2 och 3 samtidigt.)

Variation

Uppställning att samla gas
Bild: © Svante Åberg

Förklaring

Brustabletter består till största delen av natriumvätekarbonat. I vatten löser denna upp sig under utveckling av koldioxid som till viss del löser sig i vattnet. Om den vätska man löser upp brustabletten i redan innehåller koldioxid, som till exempel kolsyrade drycker, kommer upplösningen att ta längre tid. Sannolikt beror fördröjningen på koncentrationsförhållandena. Ju närmare jämvikt en reaktion kommer, desto långsammare går den. När tabletten löses upp bildas frigörs karbonat och vätekarbonat. Om dessa redan finns i lösningen, som i kolsyrade drycker, är lösningen redan från start närmare jämvikt än om brustabletten löses i rent vatten.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Karbonatjämvikten

Natriumvätekarbonat, NaHCO3, kallas även natriumbikarbonat eller i vardagligt tal bara bikarbonat. Det framställs enklast genom att leda ner koldioxid, CO2, i en kall, mättad sodalösning, (natriumkarbonat, Na2CO3):

Na2CO3(aq) + H2O(l) + CO2(g) 2 NaHCO3(aq)
natriumkarbonat (soda) vatten koldioxid natriumvätekarbonat

Industriellt får man natriumvätekarbonat som mellanprodukt vid tillverkning vid tillverkning av soda enligt Solvay-metoden, den vanligaste metoden för framställning av soda. Alla vätekarbonater sönderdelas mycket lätt vid upphettning, natriumvätekarbonat sönderdelas enligt reaktionsformeln nedan:

2 NaHCO3(aq) Na2CO3(aq) + H2O(l) + CO2(g)
natriumvätekarbonat natriumkarbonat (soda) vatten koldioxid

Brandtriangeln Koldioxidutvecklingen vid uppvärmning gör natriumvätekarbonaten utmärkt som bakpulver, de små "bubblorna" som blir i sockerkakor och andra mjuka kakor uppstår när bakpulvret bildar gasbubblor av vattenånga och koldioxid.

I eldsläckare (så kallade pulversläckare) finns det natriumvätekarbonat som bildar gas vid kontakt med hettan från eldhärden. Gasen kväver elden, som behöver tillgång till syre för att kunna brinna.

Natriumvätekarbonat bildar också gas i form av koldioxid när den blandas med syra. Prova gärna hemma att blanda lite vatten, ättiksprit eller vinäger, och bakpulver. Det kan bubbla ordentligt, så håll till på diskbänken och var försiktig.

Medel mot syraöverskott i magen innehåller ofta natriumvätekarbonat eftersom den ger svagt basiska vattenlösningar (pH ≫ 8). [1]

Koldioxid

Koldioxid, CO2, fås bland annat som biprodukt vid förbränning av kolhaltiga bränslen och vid upphettning av naturliga karbonat, särskilt vid "kalkbränning" (upphettning av kalciumkarbonat, kalksten). Kalkbränningen ger bränd kalk, (kalciumoxid, CaO):

CaCO3(aq) CaO(s) + CO2(g)
kalciumkarbonat kalciumoxid koldioxid

Den bildade koldioxiden renas och kondenseras, och kan också överföras till kolsyrasnö som i sin tur kan pressas till torris. Gasformig koldioxid används vid framställning av kolsyrade drycker och eldsläckningsanläggningar, medan torris främst används till kylning.

Koldioxiden bildar kolsyra

Vid 20 °C och 1 atm tryck löser sig 0,17 g koldioxid i 100 g vatten. I vätskor som kolsyras under övertryck kan lösligheten av koldioxid öka 4-5 gånger. Koldioxidmolekylerna deltar i hydratiseringsjämvikten

CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq)
koldioxid vatten kolsyra

och kolsyran protolyseras sedan på vanligt sätt

H2CO3(aq) + H2O(l) HCO3-(aq) + H3O+(aq)
kolsyra vatten vätekarbonat oxoniumjon

HCO3-(aq) + H2O(l) CO32-(aq) + H3O+(aq)
vätekarbonat vatten karbonat oxoniumjon

Den som använt destillerat vatten kanske har märkt att en flaska med destillerat vatten som har fått stå ett tag inte längre innehåller neutralt vatten! Detta beror på att luftens koldioxid har löst sig i vattnet och gjort vattnet surt av kolsyra. Att lösningen är svagt sur kan påvisas med pH-indikatorer (exempelvis BTB, bromtymolblått), och förklarar också koldioxidens syrliga smak i exempelvis kolsyrade drycker. [1]

Lösningar i jämvikt

En lösning sägs vara mättad om den står i jämvikt med det lösta ämnet som ren fas. Är koncentrationen av det lösta ämnet mindre än jämviktskoncentrationen sägs lösningen vara omättad, och är koncentrationen större sägs lösningen vara övermättad.

Temperaturen har i regel stor påverkan på lösligheten, och oftast ökar lösligheten vid stigande temperatur. Om värme upptas vid ett ämnes upplösning i en mycket stor mängd nästan mättad lösning kommer lösligheten att öka med stigande temperatur. Om värme avges vid ämnets upplösning kommer lösligheten att minska med stigande temperatur, men detta är betydligt mindre vanligt än att lösligheten ökar.

Lösligheten av fasta och flytande ämnen är inte särskilt beroende av trycket, däremot är gasers löslighet starkt tryckberoende. [1]

Fördjupning

Koldioxid-karbonatsystemet

Koldioxid tillsammans med vatten ingår i en serie former av kolsyra och karbonater som står i jämvikt med varandra. Förutom koldioxid och vatten som bildar kolsyra finns också syra-basjämvikterna mellan kolsyran och dess salter. Vi har följande:

CO2(g) CO2(aq) löslighetsjämvikt
CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq) jämvikt för bildning av kolsyra
H2CO3(aq) HCO3 + H+ syra-basjämvikt
HCO3 CO32– + H+ syra-basjämvikt

Den första jämvikten är en löslighetsjämvikt där koldioxidgas löser sig i vatten. Den andra jämvikten är en reaktion mellan koldioxid och vatten som bildar kolsyra. Den tredje och fjärde jämvikten är syra-basjämvikter där vätejoner ingår.

Alla dessa jämvikter är kopplade. Det innebär att en förändring i halten koldioxid i atmosfären fortplantar sig genom hela systemet så att till exempel halterna vätekarbonat och karbonat också påverkas.

Men eftersom vätejonerna också ingår i jämvikterna, så påverkas koldioxid-karbonatsystemet av sura och basiska ämnen i lösningen. pH är därför en viktig faktor.

Beräkningsexempel på koldioxid i jämvikt med vatten

Vi ska göra beräkningar på jämvikten mellan koldioxid i luften och kolsyra och karbonater i vatten. Värdena gäller för sötvatten vid rumstemperatur. Det är viktigt att känna till att jämviktskonstanterna är starkt beroende av temperatur och salthalt. Därför blir värdena annorlunda om man ska räkna på havsvatten eller kallare vatten.

Jämvikten mellan koldioxid i luften och i vattnet

Henrys lag tillämpad på koldioxid lyder KH = PCO2/[CO2(aq)] = 29,41 atm/(mol dm–3)

Koldioxidhalten 0,0387 % i luften vid 1 atmosfär ger PCO2 = 3,87·10-4 atm

Koncentrationen löst koldioxid i vattnet är då [CO2(aq)] = PCO2/K = 3,87·10-4 atm / (29,41 atm/(mol dm–3)) = 1,316·10-5 mol dm–3 ≈ 1,3·10-5 mol dm–3

Jämvikten mellan löst koldioxid i vattnet och kolsyra

Jämviktskonstanten för bildningen av kolsyra är K = [H2CO3(aq)]/[CO2(aq)] = 1,3·10-3

Halten kolsyra blir då [H2CO3(aq)] = [CO2(aq)] · 1,3·10-3 = 1,316·10-5 mol dm–3 · 1,3·10-3 = 1,711·10-8 mol dm–3 ≈ 1,7·10-8 mol dm–3

Första protolyssteget av kolsyran

Jämviktskonstanten för bildningen av vätekarbonat ur kolsyran är KA1 = [H+][HCO3]/[H2CO3(aq)] = 2,00·10-4 mol dm–3

Halten vätekarbonat blir då [HCO3] = 2,00·10-4 mol dm–3 · [H2CO3(aq)] / [H+]) = 2,00·10-4 mol dm–3 · 1,711·10-8 mol dm–3 / [H+] = 3,421·10-12 (mol dm–3)2 / [H+]

Antag att pH är 8,14, vilket innebär [H+] = 10-8.14 mol dm–3

Vi får [HCO3] = 3,421·10-12 mol dm–3 / [H+] = 3,421·10-12 (mol dm–3)2 / (10-8.14 mol dm–3) = 4,723·10-4 mol dm–3 ≈ 4,7·10-4 mol dm–3

Andra protolyssteget av kolsyran

Jämviktskonstanten för bildningen av karbonat ur vätekarbonatet är KA2 = [H+][CO32–]/[HCO3] = 4.69·10-11 mol dm–3

Halten karbonat blir då [CO32–] = 4,69·10-11 mol dm–3 · [HCO3] / [H+] = 4,69·10-11 mol dm–3 · 4,723·10-8 mol dm–3 / (10-8.14 mol dm–3) = 3,057·10-6 mol dm–3 ≈ 3,1·10-6 mol dm–3

Jämvikt

Jämvikt bygger på att en reaktion sker i framriktningen och tillbakariktningen samtidigt och att reaktionshastigheterna är lika stora. Det innebär att det totalt sett inte sker någon förändring, trots att reaktionerna hela tiden pågår. Man säger att jämvikten är dynamisk därför att det är en pågående process.

Med reaktionsformel så ser jämvikten mellan ämne A och ämne B ut på följande sätt:

A ⇄ B

En liknelse för att förklara jämvikten

Föreställ dig att en hink med vatten står under kranen som är öppen. Men det finns ett hål i hinkens botten där vatten rinner ut. De reaktioner vi tittar på är tillförsel av vatten till hinken (framriktningen) och bortförsel av vatten från hinken (tillbakariktningen).

Vatten utanför hinken motsvarar A i jämvikten ovan, och vatten inuti hinken motsvarar B. Vi kan då skriva jämvikten med ord på följande sätt:

vatten utanför hinken (A) ⇄ vatten inuti hinken (B)

Vi öppnar kranen

Innan vi öppnar kranen, så är hinken tom, men så snart vi öppnar kranen börjar hinken fyllas med vatten. I början är vattennivån låg och det rinner inte ut vatten genom hålet lika snabbt som vatten fylls på från kranen. Det innebär att vattennivån i hinken ökar. Jämvikten har inte ännu ställt in sig.


Vid det högre vattenflödet från kranen till hinken (höger bild), så stabiliseras vattenytan på en högre nivå.
Bild: Svante Åberg

Men ju högre vattennivån blir, desto snabbare rinner vatten ut genom hålet. Till slut rinner vatten ut lika snabbt som det fylls på.

Detta tillstånd får man vid en bestämd vattennivå i hinken som svarar mot ett visst tryck hos vattnet. Denna nivå är jämviktsnivån.

Trots att vi har pågående reaktion i framriktningen (A → B) och samtidigt i tillbakariktningen (A ← B), så är vattennivån stabil. Detta stabila tillstånd, trots pågående reaktioner, kallas dynamisk jämvikt.

Vi ändrar flödet

Om vi sedan skulle ändra kranen så att det tillförs vatten snabbare eller långsammare, så skulle vattennivån i hinken börja förändras igen. Så småningom skulle en ny jämvikt ställa in sig på en annan vattennivå.

Ett högt flöde från kranen ger en hög jämviktsnivå i hinken, ett lågt flöde ger en låg jämviktsnivå.

Exempel på jämvikter

Esterjämvikten

Man kan tillverka väldoftande luktämnen genom att låta alkohol och syra reagera med varandra så att ester och vatten bildas.

alkohol + syra → ester + vatten

Från början finns ingen ester och inget vatten, bara alkohol och syra. Reaktionen sker därför bara åt höger. Men när det väl har bildats en del ester och vatten, så börjar det ske en reaktion åt andra hållet så att alkohol och syra återbildas. Men tillbakareaktionen är långsam i början eftersom det finns så lite ester och vatten som kan reagera.

alkohol + syra ← ester + vatten (långsam i början)

Med tiden bildas det alltmera ester och vatten, vilket gör att tillbakareaktionen blir snabbare. Samtidigt minskar mängden alkohol och vatten, vilket gör att framåtreaktionen blir långsammare. Till slut är tillbakareaktionen lika snabb som framåtreaktionen. Då har dynamisk jämvikt ställt in sig.

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Löslighetsjämvikt

Salter är lösliga i vatten, men bara upp till en viss gräns. När saltlösningen blivit mättad, så är systemet i jämvikt. Exempel på ett salt är natriumklorid, det vill säga vanligt koksalt.

NaCl(s) ⇄ Na+ + Cl

En sak som är speciell i detta fall är att koncentrationen av salt i fast form är konstant, oberoende av hur mycket fast salt vi har. Det innebär att reaktionen i framriktningen alltid är lika snabb.

Däremot varierar koncentrationen av natriumjoner och kloridjoner. I början finns inga natrium- och kloridjoner i lösning. Då sker bara reaktionen i framriktningen.

Men ju mer natrium- och kloridjoner som går i lösning, desto snabbare blir tillbakareaktionen. Till slut faller koksalt ut lika snabbt som det går i lösning. Då har vi fått dynamisk jämvikt.

Jämviktsläget

Massverkans lag

Massverkans lag anger att när ämnen reagerar med varandra, så är reaktionshastigheten proportionell mot koncentrationen av de partiklar som reagerar. Det är en statistisk effekt som kommer av att en kemisk reaktion bara kommer till stånd om de reagerande partiklarna kolliderar. Om koncentrationen av partiklar är hög, så blir det många kollisioner per sekund. Då är det också fler partiklar som reagerar varje sekund – reaktionshastigheten blir hög.

I en jämvikt sker reaktion både i framriktningen (åt höger) och i tillbakariktningen (åt vänster). Jämviktsläget beror på reaktionshastigheten åt höger i jämförelse med den åt vänster. Jämvikt fås när hastigheten åt höger och åt vänster är lika. Det betyder att lika mycket bildas som det som förbrukas. Nettoförändringen blir noll.

Man har så kallad dynamisk jämvikt. Ordet dynamisk anger att reaktionerna hela tiden pågår. Men i och med att inga nettoförändringar sker, så har man jämvikt.

Sannolikheten för kemisk reaktion vid en kollision

Det är emellertid inte varje kollision som leder till kemisk reaktion. Kemisk reaktion innebär att bindningar bryts i den gamla partikeln och nya skapas som ger ett nytt ämne. Men oftast studsar partiklarna bort från varandra utan att reagera. Om partiklarna inte är rätt orienterade i förhållande till varandra vid kollisionen, så sker ingen kemisk reaktion.

Aktiveringsenergin måste övervinnas för att reaktion ska ske

Inte heller sker någon reaktion om kollisionsenergin är för liten. Rörelseenergin i kollisionen måste övervinna den energitröskel det innebär att bryta de gamla bindningarna. Inte förrän dessa är brutna kan nya bildas. Denna energitröskel benämns aktiveringsenergi.

När energinivåerna skiljer, så påverkar det jämviktsläget

Om ämnena på ena sidan i reaktionsformeln är energirikare än ämnena på andra sidan, så är energitröskeln olika stor för reaktionen åt höger respektive åt vänster. (Figur som visar ett sådant exempel ska infogas här.)

När framåt- och bakåtreaktionen sker olika lätt, så påverkar det jämviktsläget. Om till exempel framåtreaktionen är kraftigt exoterm, så är energitröskeln i framriktningen låg och en stor andel av kollisionerna leder till reaktion. Men då blir samtidigt energitröskeln för reaktion i bakåtriktningen hög. Det krävs en hög koncentration av partiklar i högerledet av jämviktsreaktionen för att reaktionshastigheten åt vänster ska bli lika hög som den åt höger. En starkt exoterm jämvikt brukar därför vara starkt förskjuten åt höger.

Jämviktskonstanten är ett mått på jämviktsläget

För att få ett mått på jämviktslägen behöver man få en siffra på hur den aktuella kemiska reaktionen ställer in sig. Värdet hos jämviktskonstanten K återspeglar jämviktsläget. Ju större konstanten är, desto mer förskjuten åt höger är jämvikten. Exempel på en jämvikt som är väldigt starkt förskjuten åt höger är reaktionen mellan vätgas och syrgas då vatten bildas:

2 H2 + O2 ⇄ 2 H2O, K = 3,2·1081 M–1

En jämviktskonstant som är nära noll tyder på en jämvikts som är starkt förskjuten åt vänster. Exempel på en jämvikt som är starkt förskjuten åt vänster är vattnets autoprotolys:

2 H2O ⇄ H+ + OH, K = 1,0·10–14 M2 (lösningsmedlet vatten enhetslöst)

Exempel på en jämvikt som inte är så starkt förskjuten åt någotdera hållet är esterjämvikten:

alkohol + syra ⇄ ester + vatten, K ≈ 4

Le Chateliers princip

Henri Le Chatelier var en fransk kemist under senare delen av 1800-talet. Han arbetade som gruvingenjör i franska statens tjänst och blev så småningom professor, därefter ledamot i både Franska vetenskapsakademin och utländsk ledamot i svenska Vetenskapsakademien. Bland annat genomförde han studier över kemisk jämvikt. Han kom då fram till den princip som bär hans namn:

Om ett kemiskt system, där jämvikt råder, påverkas av en förändring i koncentration, temperatur eller totaltryck, kommer jämvikten att ändras så att förändringen motverkas.

Den kemiska jämvikten gör alltså motstånd mot förändringar, men kompenserar inte helt för den yttre påverkan som systemet utsatts för. Om till exempel etanol ingår som ett reagerande ämne i en jämvikt, och vi tillsätter mera etanol, så kommer reaktionen efter störningen av förbruka etanol. Men det blir inte riktigt hela tillsatsen av etanol som förbrukas, utan halten etanol i blandningen kommer faktiskt att vara lite högre sedan den nya jämvikten har ställt in sig.

Exempel på tillämpning av Le Chateliers princip

Estrar är väldoftande ämnen som kan framställas genom att låta alkohol och syra reagera med varandra så att ester och vatten bildas.

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Esterjämvikten är inte så starkt förskjuten åt höger. För att driva jämvikten hårdare åt höger kan man ta bort vatten som bildats. Det kan ske genom att man tillsätter torkmedel av till exempel vattenfri natriumsulfat. Natriumsulfatet binder upp vattnet så att det inte längre är tillgängligt i esterjämvikten.

Det vatten som tas bort ersätts, enligt Le Chateliers princip, genom att reaktionen går åt höger. Det innebär att ester bildas, samtidigt som alkohol och syra förbrukas. Det nya vatten som bildas tas också upp av torkmedlet, så reaktionen kan fortsätta ytterligare åt höger så att ännu mer ester bildas.

Estrar är opolära ämnen som är olösliga i vatten. Estern flyter därför som ett skikt ovan på vattenlösningen. Däremot är alkoholen och syran vattenlöslig. När man är nöjd med reaktionen, så kan skiktet av ester på ytan dekanteras av och man får ester i ganska ren form.

Exempel med bildning av ammoniak ur kvävgas och vätgas

Ett exempel är reaktionen när kvävgas reagerar med vätgas till ammoniakgas i den så kallade Haberprocessen:

N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g) + 92 kJ

Detta är en jämvikt mellan ämnen i gasform där vi har 4 delar gas i vänsterledet och 2 delar gas i högerledet. Reaktionen åt höger halverar antalet mol gas, vilket ger minskat gastryck om volymen hålls konstant. Reaktionen åt höger är exoterm, vilket innebär att inneboende energi hos ämnena avges och ombildas till värme.

Vi ska nu tillämpa Le Chateliers princip på denna jämvikt med några olika fall. Utgångspunkten är att systemet är i jämvikt. Därefter rubbar jämvikten på något sätt. Sedan förutsäger åt vilket håll reaktionen kommer att ske.

Tillförsel av kvävgas eller vätgas

I reaktionsformeln finns kvävgas och vätgas i vänsterledet. Om vi pumpar in mer kvävgas eller vätgas, så blir det "för mycket" kvävgas/vätgas i vänster led i förhållande till jämviktsläget. Reaktionen kommer att gå åt höger så att kvävgas och vätgas förbrukas. Det leder till att det bildas ammoniak. Dessutom avges värme, vilket gör att temperaturen höjs i systemet.

Tillförsel av ammoniak

Om vi pumpar in ammoniak blir det "för mycket" ammoniak i högerledet. Reaktionen sker då åt vänster så att mängden ammoniak minskar och det bildas mera kvävgas och vätgas. Reaktionen är endoterm, det vill säga den förbrukar energi. Därför sjunker temperaturen.

Bortförsel av ammoniak

Om vi på något sätt kan ta bort ammoniak från reaktionsblandningen, till exempel med en reaktion som binder upp ammoniakgas så att den inte kan delta i jämvikten längre, så blir det "för lite" ammoniak i högerledet. Det leder till att reaktion sker åt höger för att ersätta ammoniak som försvunnit. Kvävgas och vätgas förbrukas så att mängden av dem minskar. Reaktionen åt höger är exoterm, vilket leder till att temperaturen ökar.

Vi värmer reaktionsblandningen

Genom att värma reaktionsblandningen kan vi öka dess temperatur. Enligt Le Chateliers princip reagerar då systemet för att motverka temperaturökningen. Reaktionen sker då i endoterm riktning, det vill säga åt vänster. Det medför att ammoniak förbrukas och det bildas kvävgas och vätgas.

Ökning av trycket genom att minska volymen

Detta är en gasjämvikt, vilket innebär att systemet är känsligt för ändringar i volymen. Gaskoncentrationen ökar när vi komprimerar gasen genom att minska volymen.

Detta leder till en ökning av gastrycket. Systemet reagerar genom att motverka tryckökningen. Eftersom det är 4 delar gas i vänsterledet, men bara 2 delar gas i högerledet, så leder en reaktion åt höger till att gastrycket minskar. Minskningen av volymen gör därför att kvävgas och vätgas förbrukas och ammoniak bildas. Samtidigt är reaktionen åt höger exoterm, vilket gör att temperaturen ökar.

Minskning av trycket genom att öka volymen

Detta är motsatsen till föregående fall. När volymen ökar, så minskar gastrycket. Systemet motverkar tryckminskningen genom att reaktionen sker åt vänster så att antalet mol gas ökar. Reaktionen åt vänster är endoterm, vilket ger sänkt temperatur.

Den nya jämvikten som ställer in sig

Även om systemet motverkar den rubbning av systemet som vi orsakade, så kan systemet inte fullt ut kompensera för den påverkan som vi orsakade.

Om vi till exempel pumpar in extra kvävgas, så sker reaktionen åt höger så att kvävgas förbrukas. Men koncentrationen kvävgas, sedan den nya jämvikten ställt in sig, kommer inte att återgå helt till den koncentration som rådde vid den ursprungliga jämvikten, utan det blir kvar en rest av den påverkan som vi skapade. Därför är koncentrationen av kvävgas aningen högre i den nya jämvikten.

Detta kompenseras av att koncentrationen av vätgas är något lägre i den nya jämvikten än i den ursprungliga. På motsvarande sätt blir koncentrationen av ammoniak något högre i den nya jämvikten, än i den ursprungliga.

Inverkan av trycket

Det som styr jämvikten, vad gäller de ingående ämnena, är ämnenas koncentrationer. Jämviktens läge har att göra med reaktionshastigheten åt höger i jämförelse med reaktionshastigheten åt vänster. Eftersom kemisk reaktion sker i samband med att partiklar kolliderar, så är hastigheten koncentrationsberoende. Högre koncentration, ger högre hastighet.

Det är bara gaser som påverkas av trycket. Det beror på att gaser komprimeras av ett högre tryck, men vätskor och fasta ämnen är nästan inte alls komprimerbara. Därför är effekten av tryck på jämvikten bara något som man behöver ta hänsyn till när man har gaser i systemet.

Exempelvis påverkas inte jämvikten mellan fast och löst natriumklorid av trycket.

NaCl(s) ⇄ Na+(aq) + Cl(aq)

NaCl(s) är ett fast ämne vars volym inte ändras märkbart vid ändrat tryck. Natriumjonerna och kloridjonerna i vattenlösning påverkas inte heller eftersom vattenvolymen inte påverkas av trycket, i varje fall inte så länge som vattnet är i vätskeform.

Fysikaliska reaktioner

Le Chateliers princip är utformad för kemiska jämvikter. Principen fungerar dock i princip även för fysikaliska förändringar, till exempel övergångar mellan olika aggregationsformer.

För fysikaliska förändringar blir dock bilden rätt komplicerad när man behöver ta hänsyn till att mekaniskt arbete utförs, till exempel när gaser expanderar. Även temperaturförändringar vid adiabatisk expansion eller kompression inverkar. Då är vi inne på termodynamik, vilket vi inte tar upp närmare just nu.

Koldioxid

Egenskaper

Koldioxid är en luktlös gas, men vid höga koncentrationer kan man få en sur smak i munnen som beror på att gasen löser sig i saliven och bildar kolsyra. Inandning av koldioxid i onormalt höga halter kan leda till huvudvärk, illamående och kräkningar. Är halten tillräckligt hög kan inandning leda till medvetslöshet och till och med döden.

Koldioxiden är med sin molmassa 44 g/mol tyngre än syrgas (32 g/mol) och kvävgas (28 g/mol). Därför sjunker koldioxiden ner mot marken om den släpps ut. Med tiden diffunderar koldioxiden och blandar sig med luften till dess halten är lika överallt, men det tar ett tag.

Koldioxid underhåller inte förbränning. Den kväver därför eld. Så kallade kolsyresläckare innehåller koldioxid under högt tryck. De fungerar genom att koldioxiden tränger undan luftens syre så att elden slocknar.

Kolsyresnö och torris är koldioxidid fast form

Kolsyresnö och torris är en benämning på frusen koldioxid. Torris är kolsyresnö som har komprimerats så att den blivit kompakt.

En bit torris ångar och ryker i rumstemperatur när koldioxiden sublimerar, dvs. övergår direkt från fast till gasform. Kylan gör att luftens fuktighet kondenserar så att synlig dimma bildas.

Man kan lägga ner bitar av torris i bål (som man dricker) för att få en festligt effekt. Torrisen kolsyresätter samtidigt drycken. Var bara försiktig att så att du inte sätter en bit torris i halsen. Den är nämligen mycket kall, - 78,5 °C. Tag aldrig i torris med händerna!

Ett recept för att tillverka dimma är att släppa ned torris i varmt vatten. Vattnet får torrisen att sublimera till gas snabbare, men bildas dimma av vattendroppar.

Kolsyresnö bildas också när man använder en kolsyresläckare. Brandsläckaren innehåller komprimerad koldioxid under högt tryck. När man släpper ut gasen sjunker temperaturen hastigt och så mycket att koldioxiden fryser till kolsyresnö vid –78,5 °C. Förutom att koldioxiden kväver elden så bidrar kyleffekten till att elden minskar i intensitet.

Tillverkning och användning

Koldioxid fås bland annat som biprodukt vid förbränning av kolhaltiga bränslen och vid upphettning av naturliga karbonat, särskilt vid "kalkbränning" (upphettning av kalciumkarbonat, kalksten). Kalkbränningen ger bränd kalk, (kalciumoxid, CaO):

CaCO3(aq) CaO(s) + CO2(g)
kalciumkarbonat kalciumoxid koldioxid

Den bildade koldioxiden renas och kondenseras, och kan också överföras till kolsyresnö som i sin tur kan pressas till torris.

Gasformig koldioxid används vid framställning av kolsyrade drycker och eldsläckningsanläggningar, medan torris främst används till kylning, till exempel när glass ska transporteras.

En mycket speciell tillämpning är koldioxidlasrar där koldioxiden fungerar som medium för ljusstrålen när den fås att svänga i fas. Koldioxidlasern producerar ljus i det infraröda området vid våglängderna 9,4 och 10,6 mikrometer (μm)

Ett oorganiskt ämne med stor biologisk betydelse

Koldioxiden ingår i kolets kretslopp i naturen. Alla organismer som förbrukar syre i cellandningen producerar koldioxid. Människan andas, liksom djuren, in luftens syre som transporteras ut i kroppen via blodet till cellerna där förbränningen av maten sker. Maten bryts ned till bland annat koldioxid och vatten. Blodet transporterar koldioxiden tillbaka till lungorna och vi andas sedan ut den.

C-föreningar + O2(g) H2O + CO2(g) + energi
kolföreningar syrgas vatten koldioxid energi

I växterna sker den motsatta processen, att bladen tar upp koldioxid som med hjälp av energin från solljuset reagerar med vatten. Då bildas bland annat sockerarter. Restprodukt vid fotosyntesen är syrgas som avges via bladens klyvöppningar.

H2O + CO2(g) + energi C-föreningar + O2(g)
vatten koldioxid energi kolföreningar syrgas

På detta sätt vandrar kolet i ett kretslopp mellan växter och djur. Kolet är i form av koldioxid när det finns i luften. Men i organismerna binds kolet upp i organiska föreningar såsom stärkelse, socker, fetter och proteiner. Koldioxid betecknas som ett oorganiskt ämne, dvs. ett ämne som inte är biologiskt. Men kolet från koldioxiden som binds i organiska föreningar som har en biologisk funktion.

Ökande koldioxidhalter i atmosfären försurar haven

Genom industrialiseringen, och då speciellt förbränningen av fossila bränslen, har sura gaser bidragit till försurning. Speciellt koldioxiden har blivit ett problem. Den naturliga mängden kol i kolets kretslopp har fyllts på med kol från de fossila bränslena som har legat i tryggt förvar i jorden. Koldioxidhalten i atmosfären har ökat dramatiskt.

Försurningen sker när koldioxid som löser sig i vattnet bildar kolsyra. Kolsyra får kalken i korallrev och i djur med kalkskelett att lösas upp. Effekterna är så stora att hela ekosystem är på väg att slås ut.

Ökande koldioxidhalter i atmosfären orsakar global uppvärmning

Eftersom koldioxid är en så kallad växthusgas, så orsakar ökningen av koldioxid i atmosfären en förstärkt växthuseffekt. Beräkningar växthuseffekten måste ta hänsyn till många komplicerade samband. Därför har forskarna av ren försiktighet undvikt att komma med kategoriska påstående om hur kraftig effekten är. Men när nu växthuseffekten har slagit till på allvar kan vi se att den är långt kraftigare än förväntat. Det finns inte heller någon tvekan om att den globala uppvärmningen till allra största delen är orsakad av människans verksamhet som ökat på koldioxidhalten i atmosfären.

Koldioxid i form av vätekarbonat stabiliserar pH

Medan koldioxiden transporteras av blodet reagerar det med vattnet som finns i blodet och bildar kolsyra, vätekarbonat och karbonat. Nästan all koldioxid är i form av vätekarbonat i blodet. Det beror på att blodets pH ligger på cirka 7,4. Vätekarbonatet hjälper till att stabilisera blodets pH så att det inte ska variera alltför mycket. Detta är viktigt för att vi ska må bra. Kroppens reglering och vätekarbonatets pH-buffrande verkan gör att blodet pH håller sig mellan 7,35 och 7,45.

Koldioxiden har också en motsvarande bufferteffekt på pH i naturen. Ett problem är dock att i första reaktionsstegen när koldioxiden reagerar med vatten, så bildas kolsyra. Kolsyran sänker pH. Det är först när en del av kolsyran förbrukas av bas, till exempel i reaktionen med kalk, som det pH-buffrande vätekarbonatet bildas. Ökande koldioxidhalter i luften bidrar därför till försurning av hav och vattendrag.

Koldioxid deponerad som mineraler

På planeterna Venus och Mars är koldioxid den vanligaste gasen. I torr luft på planeten Jorden är koldioxid den fjärde vanligaste gasen näst efter kväve, syre och argon. När de stora oceanerna bildades flyttades en stor del av koldioxiden från den tidiga atmosfären till vattnet där den löstes upp. Nu återfinns stora delar av den tidigare koldioxiden som karbonater i berggrunden.

Av allt kol som finns på jorden är bara en mycket liten del som fri koldioxidgas i atmosfären. Koldioxiden i luften står i jämvikt med koldioxid i vattenlösning. Koldioxiden i vattnet reagerar till kolsyra som reagerar vidare till vätekarbonat (HCO3) och karbonat (CO32–). Karbonatjonerna bildar svårlösliga salter tillsammans med till exempel kalciumjoner (Ca2+) och faller ut som fasta mineraler. Det mesta kolet är bundet i berggrunden som karbonater, men också som en försvinnande liten andel fossil stenkol, brunkol, olja och naturgas. Dessutom har vi kol som är bundet som biomassa i ekosystemen, inklusive förmultnande material i marken.

Fördelningen är följande:

PlaceringVikt kolAndel
atmosfären7,5·1011 ton0.001%
ekosystem2,1·1012 ton0.002%
haven3,8·1013 ton0.038%
berggrunden1,0·1017 ton99.959%

Koldioxid som superkritisk vätska

Vid tillräckligt högt tryck och temperatur övergår gaser till att bli superkritiska vätskor. Tillståndet är något som kan betecknas både som gas och vätska samtidigt. Molekylerna är rörliga nästan som i en gas, dvs diffunderar snabbt. Samtidigt är förmågan att lösa ämnen god, som i en vätska. Dessa egenskaper är till god nytta vid superkritisk extraktion. För koldioxid inträffar det superkritiska tillståndet vid 73,76 bars tryck och en temperatur av endast 31,04 °C. Det gör koldioxiden mycket lämpad för användning som superkritisk vätska.

Natriumvätekarbonat

Natriumvätekarbonat kallas också natriumbikarbonat, eller helt enkelt bikarbonat.

Vätekarbonatet i jämvikt med koldioxid och karbonater finns överallt i naturen

Vätekarbonat finns nästan överallt i naturen eftersom det är nära kopplat till koldioxid, som ju finns i atmosfären. Koldioxiden löser sig i vatten och bildar då kolsyra. Kolsyran står sedan i syra-basjämvikt med vätekarbonat.

Vätekarbonatet ingår i kolets kretslopp på grund av jämvikten med kolsyra. Vid matsmältningen bryts maten ned till bland annat koldioxid och vatten. Koldioxiden förs bort med blodet till lungorna. Vi andas sedan ut koldioxiden.

Växterna gör tvärtom. De tar upp koldioxid via sina klyvöppningar och koldioxiden löser sig i cellvätskorna. Där står koldioxiden också i jämvikt med vätekarbonat. I fotosyntesen binds koldioxiden/vätekarbonatet och tillsammans med vatten och solenergi bildas sockerarter som bygger upp växterna.

Kalksten är en bergart av mineralen kalciumkarbonat. Kalciumkarbonat är svårlöslig, men kan reagera med surt vatten. Surt regn får kalkstenen att lösas upp. Då bildas vätekarbonat. I havet finns stora mängder koksalt, som ju innehåller natriumjoner. Man kan därför säga att upplöst kalksten som hamnar i havet finns där i form av natriumvätekarbonat.

Vätekarbonat bildar koldioxid tillsammans med syra

Om man har karbonat i någon form, vare sig det är vätekarbonat eller karbonat, så får man koldioxidutveckling om man tillsätter syra. Följande reaktion sker:

H+ + HCO3 → H2CO3(aq) → CO2(g) + H2O(l)

från vätekarbonat, respektive

2 H+ + CO32– → H2CO3(aq) → CO2(g) + H2O(l)

från karbonat.

Detta är ett sätt att testa om ett salt innehåller vätekarbonat eller karbonat.

Vätekarbonat sönderfaller vid 200 C

Förutom att reaktionen med syra kan ge koldioxidutveckling, så kan även vätekarbonat sönderdelas av hög värme. Vid temperaturer över 200 C sker följande:

2 NaHCO3(s) → Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g)

Man får även här koldioxidutveckling. Eftersom natriumkarbonat är ett stabilt ämne, så avges bara en koldioxid av två molekyler vätekarbonat.

Men om temperaturen skulle vara så hög som över 850 C, så fortsätter sönderfallet till natriumoxid, det vill säga även den andra koldioxiden avges:

Na2CO3 → Na2O(s) + CO2(g)

Bikarbonat används vid bakning

Bikarbonat (= natriumvätekarbonat) används som hävningsmedel vid bakning. Bikarbonat ingår också i bakpulver tillsammans med sura ämnen som kan få vätekarbonatet att avge koldioxid. Det är koldioxidgasen som får bakverket att bli poröst.

I recept där bikarbonat används behövs något surt som gör att vätekarbonatet kan bilda koldioxid, till exempel fil. Restprodukten natriumkarbonat är också lite bitter och tvålaktig i smaken. Därför behövs sura ingredienser i bakverket.

Övrig användning av vätekarbonat

Natriumvätekarbonat finns i brustabletter, oftast tillsammans med citronsyra. När tabletten läggs i vatten löses vätekarbonat och syra upp, så att de kan komma i kontakt med varandra och reagera. Resultatet blir kraftig koldioxidutveckling.

En bisarr och rätt grym metod att bli kvitt kackerlackor är att mata dem med bikarbonat. I kackerlackans mage utvecklas koldioxid som får insekten att svälla upp och spricka.

Natriumvätekarbonat sägs också kunna används för att bekämpa svamptillväxt.

Allmänt gäller att ämnen som används för rengöring av icke-feta fläckar är basiska. Även natriumvätekarbonat kan användas för fläckborttagning, till exempel av rostfläckar.

Salt med både sura och basiska egenskaper

Natriumvätekarbonat är ett salt med övervägande basiska egenskaper. Saltet är amfotert, dvs. kan fungera både som syra och som bas. Vätekarbonatet fungerar som bas genom att ta upp en vätejon kring pH 6,35 övergår då till kolsyra. Det kan också fungera som syra genom att avge en vätejon kring pH 10,33 och övergå till karbonat.

kolsyra pKa1,app = 6,35 vätekarbonat pKa2 = 10,33 karbonat
H2CO3(aq) H+ + HCO3 2 H+ + CO32–

Notera: Värdet pKa1,app =6,35 ovan är ett apparent pKa-värde för kolsyra som egentligen avser summan av kolsyra H2CO3(aq) och löst koldioxid CO2(aq) i jämvikt med varandra i lösningen. Mängden löst koldioxid är betydligt större än den faktiska mängden kolsyra.

Syra-basegenskaperna gör vätekarbonat till en pH-buffert

En pH-buffert fungerar så att den förbrukar tillsatt syra eller bas och stabiliserar på så vis pH-värdet. Syra-basreaktionerna för vätekarbonatet sker kring pKa-värdena pH 6,35±1 och pH 10,33±1. Det är kring dessa värden som den buffrande förmågan finns.

Vätekarbonat finns till exempel i blodet, där pH ligger mellan 7,35 och 7,45, det vill säga aningen åt det basiska hållet. Vid pH 7,4 är jämvikten 92 % vätekarbonat och 8 % kolsyra (och 0 % karbonat).

Vätekarbonat buffrar också naturliga vatten. Koldioxid som finns i atmosfären och som bildas vid nedbrytning av organiskt material kan lösa sig i vattnet. Kolsyran står då i kemisk jämvikt med vätekarbonat. Dessutom finns mineraler som är karbonater, främst kalksten. Kalkstenen kan lösas upp av syror och bilda vätekarbonat. Allt detta tillsammans ger an blandning av kolsyra, vätekarbonat och karbonat där vätekarbonatet är den viktigaste lösta jonen som buffrar pH.

Vätekarbonat finns i tabletter mot sur mage. Den pH-buffrande förmågan gör att en alltför sur mage motverkas.

Man använder också vätekarbonat i pH-buffertar på kemilab. Då används den oftast tillsammans med andra amfotera salter för att utöka den buffrande förmågan över ett större pH-intervall, inte bara kring pH 6,35 och 10,33.

Karbonater

Karbonater i naturen är mineraler som bildar basiska bergarter. De innehåller karbonatjonen, CO32–. Karbonaterna är alltså salter, men de är i allmänhet svårlösliga. Den positiva jonen är en metalljon, ofta tvåvärd.

Följande mineraler är karbonater:

Kalcit (Kalkspat) CaCO3
Magnesit MgCO3
Siderit (Järnspat, Chalybit) FeCO3
Rodokrosit (Manganspat) MnCO3
Smithsonit (Zinkspat, Calamin) ZnCO3
Dolomit CaMg(CO3)2
Ankerit Ca(Mg,Fe)(CO3)2
Aragonit CaCO3
Witherit BaCO3
Strontianit SrCO3
Cerussit PbCO3
Malakit Cu2CO3(OH)2
Azurit (Chessylit) Cu2(CO3)2(OH)2

Ett mineral betecknar en kemisk förening som ibland förekommer i ren form i naturen och ibland bildar bergarter tillsammans med andra mineraler.

Kalcit är ett mineral med stor utbredning. Det förekommer i kalkhaltiga sediment, kalksten, och i metemorfa (omvandlade) bergarter, marmor. Kalksten bildas när fossilt material från t ex skelett och snäckskal sedimenterar. Högt tryck och lång tid omvandlar så småningom sedimentet till mineral och bergarter. Krita, kritkalksten, är också en form av kalksten. Den har bildats av skalen från fritt omkringsimmande organismer i havet. Det mesta av kritkalkstenen bildades under kritaperioden. Marmor är kristallin kalksten, en omvandlad bergart.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Syra är reagens på karbonater

Syra är ett reagens på karbonat- och vätekarbonatjoner. Kännetecknet på karbonat är att när syran tillsätts, så sker gasutveckling av koldioxid. Även karbonater i fast form ger koldioxidutveckling tillsammans med syra.

Detta test används inte bara av kemister, utan även av t.ex. geologer. Många mineraler i naturen är nämligen karbonater. Om du droppar saltsyra på kalksten så börjar det bubbla av koldioxid samtidigt som stenen löses upp.

Observera att syran måste vara tillräckligt stark. Saltsyra (HCl) är en bra syra för detta ändamål.

Jämvikt från karbonat till koldioxid

Reaktionen åstadkoms via en serie kemiska jämvikter listade nedan, som drivs åt höger. Ämnena i serien är karbonat (CO32-), vätekarbonat (HCO3-), kolsyra och koldioxid (CO2).

1: CO32-(aq) + H+(aq) HCO3-(aq)
2: HCO3-(aq) + H+(aq) H2CO3(aq)
3: H2CO3(aq) H2O(l) + CO2(aq)
4: CO2(aq) CO2(g)

Om man ökar halten vätejoner i lösningen, H+, så driver man de två första jämvikterna åt höger. Det medför att halten H2CO3(aq) (kolsyra) ökar vilket driver jämvikt 3 åt höger. Det medför i sin tur att halten CO2(aq) (koldioxid) ökar så att jämvikt 4 drivs åt höger. Summan av kardemumman blir att det bildas koldioxidgas om man surgör en lösning som innehåller karbonat eller vätekarbonat.

En basisk lösning tar upp koldioxid från luften

Motsatsen gäller också. Om man har en basisk vattenlösning, det vill säga en lösning där halten vätejoner är mycket låg, så kommer koldioxid från luften att lösa sig i vattnet och bilda karbonat. Om man vill förvara en basisk lösning en längre tid är det därför viktigt att förvara lösningen i ett slutet kärl för att undvika kontamineringen av koldioxid från luften.

Att en basisk lösning tagit upp koldioxid kan man bevisa genom att tillsätta överskott av syra. Då bildas bubblor av koldioxid.

Men det tar tid innan tillräckligt koldioxid löst sig eftersom halten koldioxid i luften är så låg. Om du vill testa hur basiska lösningar absorberar koldioxid, vänta då någon vecka innan du undersöker lösningen med tillsatsen av stark syra.

Syra-basreaktion

Syror och baser kan beskrivas som varandras motsatser. Det är nämligen så att en syra ger bort en vätejon, men en bas tar i stället emot en vätejon. Detta gör att syror och baser lätt reagerar med varandra. Man får en så kallad syra-basreaktion.

Ett annat namn för syra-basreaktion är protolys. En väteatom består av en proton i kärnan och en elektron i skalet. När vätet förlorat sin elektron och bildat en vätejon, så återstår bara protonen. Vätejon och proton är därför samma sak.

Ordet "lys" är grekiska och betyder sönderfall. När syran avger sin vätejon sönderfaller den i vätejon + den rest som blir kvar. "Proton" och "sönderfall" ger därför ordet protolys.

Neutralisation


Syra och bas reagerar i neutralisation.
Bild: Svante Åberg

Eftersom syror och baser är varandras motsatser, så har de en förmåga att förbruka varandra när de reagerar. Vid reaktionen förbrukas lika mycket syra och bas. De ämnen som i stället bildas är ofta salt och vatten, men inte alltid. Här är två exempel.

Exempel 1: HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + Na+ + OH

Natriumjonerna och hydroxidjonerna ger saltet natriumkorid, dvs. vanligt koksalt. I syra-basreaktionen bildas också vatten.

Exempel 2: HCl(aq) + NH3(aq) → Cl + NH4+

Ammoniumjonerna och kloridjonerna ger saltet ammoniumklorid, dvs. salmiak. I denna syra-basreaktion bildas inget vatten.

Definition av syror och baser som protongivare och protontagare

syra = protongivare
bas = protontagare

Arrhenius definierar syra som protongivare

Den som först kom med en definition av syror och baser var den svenske kemisten Svante Arrhenius, vilket han fick Nobelpriset för år 1904. Arrhenius visade på förekomsten av vätejoner i vattenlösning av syror. Han definierade en syra som ett ämne som dissocieras (sönderdelas) i vatten så att vätejoner (H+) bildas.

Brønsted och Lowry definierar bas som protontagare

Den danske kemisten Johannes Nicolaus Brønsted och den engelske kemisten Martin Lowry kompletterade sedan, oberoende av varandra, teorin genom att definiera bas som protontagare. De insåg att baser har förmågan att deprotonera syror, dvs. plocka protoner från syror. Nu hade man en komplett teori som definierade syra och korresponderande bas som samma partikel, förutom skillnaden på en proton.

Syrans reaktion i vattenlösning

En generell beteckning för en syra är HA. H står för grundämnet väte, men A är en beteckning som syftar på syra (engelska Acid). Exempelvis kan HA beteckna väteklorid ,HCl, eller ättiksyra, CH3COOH.

Dissociationen av syran HA sker med reaktionsformeln:
HA → H+ + A

Vi ser att syran HA ger bort sin proton och kvar blir A. Syran HA är alltså en protongivare.

Den frigjorda vätejonen reagerar sedan omedelbart med vatten och bildar en oxoniumjon:
H+ + H2O → H3O+

Basens reaktion i vattenlösning

Basen B har förmågan att ta emot en vätejon (proton). I vattenlösning kommer vätejonen från en vattenmolekyl som har sönderdelats med reaktionsformeln:
H2O → H+ + OH

Den frigjorda vätejonen tas emot av basen i reaktionen:
H+ + B → BH+

Samtidig syra-basreaktion

Protonöverföringen kan ske direkt från syran till basen i en reaktion med formeln:
HA + B → A + BH+

En sådan typ av reaktion kallas för protolys.

Reaktionen kan också ske åt motsatt håll, dvs. att BH+ fungerar som syra när den ger en proton till A som då fungerar som bas:
A + BH+ → HA + B

Som synes kan även joner vara syror och baser, såsom att A är en bas och BH+ är en syra.

Korresponderande syra-baspar

När en vätejon avges av en syra måste det alltid finnas en bas som tar emot den. Det är nämligen så att vätejoner inte kan existera fria. När det samtidigt är så att syran blir en bas när den avger sin vätejon, och basen blir en syra när den tar emot en vätejon, så kan man alltid beskriva syra-basreaktionen på följande sätt:

HA1 + A2 A1 + HA2
syra 1 bas 2 bas 1 syra 2

I reaktionen har vi syra-basparen:
syra 1 ⇄ bas 1 + H+
syra 2 ⇄ bas 2 + H+

Nedan ges några exempel på syra-basparen i ett antal syra-basreaktioner:

syra 1 bas 2 bas 1 syra 2
HCl(aq) + NH3(aq) Cl + NH4+
CH3COOH(aq) + H2O(l) CH3COO + H3O+
CH3COOH(aq) + OH CH3COO + H2O(l)
H2O(l) + NH3(aq) OH + NH4+
H2O(l) + H2O(l) OH + H3O+

Den sista reaktionen i tabellen är intressant för att den visar att vatten kan reagera med sig själv. Denna reaktion kallas vattnets autoprotolys.

Lewis definition av syra som elektrontagare och bas som eletrondonator

syra = tagare av elektronpar
bas = givare av elektronpar

Gilbert N. Lewis definierade syra-basreaktioner som elektronöverföringar ungefär samtidigt som Brønsted och Lowry jobbade med sin definition av protolys.

För Lewis var en bas ett ämne som kunde donera ett elektronpar. En syra var då ett ämne som kunde ta emot ett elektronpar. Lewis definition av syror och baser är en bredare definition som även kan tillämpas på ämnen som inte innehåller väte. Exempelvis är bortrifluorid, BF3, en Lewis-syra som kan reagera med Lewis-basen fluorid, F:
BF3 + F → BF4.

Försurning av haven

Halterna i atmosfären

Koldioxidhalten i atmosfären är mycket låg, bara cirka 0,04 %, men har ändå stor betydelse i miljön. Dels är koldioxiden en växthusgas som höjer jordens temperatur, dels löser sig koldioxid lätt i vattnet och bildar kolsyra.

Halterna koldioxid i luften har ökat sedan industrialismen slog igenom och fortsätter att öka. Anledningen är att vi använder fossila bränslen som tidigare var gömda i marken och inte kom ut i atmosfären, men som nu adderas till den koldioxid som naturligt förekommer som en del av kolets kretslopp mellan växter och djur.

Löslighet och pH i vatten

Lösligheten för koldioxid i vatten är hög därför att den kolsyra som bildas när den reagerar med vattnet sedan reagerar vidare och bildar vätekarbonat. Jämviktsprocesserna gör att det då frigörs plats för att ytterligare koldioxid ska lösa sig och bilda kolsyra. Eftersom kolsyran är en syra sänks pH i vattnet, det blir surare.

Organismer med kalkskelett påverkas

I havet lever många organismer med kalkskelett. Kalken är kemiskt sett kalciumkarbonat, ett basiskt ämne. Karbonatet i skelettet står i jämvikt med löst karbonat i vattnet. Jämvikten innebär att kalken i skelettet både avger och tar emot karbonatjoner från vattnet. Men när vattnet är surt förbrukas karbonat och bildar vätekarbonat, som är en något surare form av karbonat. Detta minskar tendensen för karbonat att bindas till kalkskelettet. Resultatet blir att organismens skelett har svårt att växa till och djuret lider, överlever kanske inte.

Exempel på djur med kalkskelett är musslor, krabbor, koraller, med flera. Speciellt korallreven är illa ute. De utsätts dels för surare vatten, dels för förhöjda temperaturer som de inte tål. Dessutom är korallreven mycket långlivade kolonier som byggs upp under tusentals år och som inte klarar plötsliga förändringar i miljön.

Korallreven är mycket viktiga ekologiska system som ger skydd och underlag för otaliga arter av djur och växter. Den biologiska produktionen på reven är mycket stor. Om reven dör, så försvinner till exempel en stor del av fisken i haven.

Kolets kretslopp i havet och atmosfären

Det uppskattas att cirka 30-40 % av människans utsläpp av koldioxid absorberas av haven och andra vattendrag. Under perioden mellan år 1751 och 1996 beräknar man att ytvattnet i haven har minskat sitt pH från cirka 8,25 till 8,14. Det motsvarar en ökning av vätejonhalten [H+] med 35 %.

Det finns ett ständigt utbyte av koldioxid i sina olika former mellan atmosfären och havet, mellan vatten på olika djup, och mellan sedimenterat och löst kol. Man brukar talar om "koldioxidens biologiska och fysikaliska pumpar".


CO2-cykeln i havet och atmosfären.
CC BY-SA 2.5

Växthuseffekten

Växthuseffekten orsakas av en grupp gaser av vilka de viktigaste är vattenånga, koldioxid, metan, dikväveoxid, ozon och freoner.

Koldioxiden - en växthusgas vi behöver ha koll på

Koldioxid är genomsläppligt för solens synliga strålning, men inte för värmestrålning. Det gör att ljuset passerar genom atmosfären till jordens yta. Samtidigt som ytan värms upp så uppstår infraröd värmestrålning som inte tar sig tillbaka till rymden därför att koldioxidmolekylerna absorberar den. Denna infångade energi värmer upp atmosfären i en process som kallas för växthuseffekten.

Växthuseffekten
Atmosfärens koldioxid fungerar på samma sätt som glaset i ett växthus.
Bild: © Svante Åberg

Koldioxiden är den viktigaste växthusgasen i vår atmosfär. Koldioxiden kan liknas vid glaset i ett växthus. De energirika, kortvågiga solljuset (gult i figuren) passerar glaset/koldioxiden och omvandlas värme när det absorberas i växtligheten och marken. Värmen återutsänds som långvågig värmestrålning (orange i figuren) men denna strålning förmår inte tränga genom glas/koldioxid och hålls därför kvar.

Andra växthusgaser

Syret och kvävet som det finns mycket av i atmosfären är praktiskt taget genomskinliga för den långvågiga värmestrålningen. Därför bidrar syret och kvävet inte nämnvärt till växthuseffekten.

Men det finns andra växthusgaser, exempelvis vatten. Mängden vattenånga i atmosfären varierar mycket. Det är också ett komplicerat samspel mellan vattenånga, molnbildning och temperatur. Molnen reflekterar det synliga, infallande ljuset från solen och minskar på så vis uppvärmningen av jorden. Men molnen bidrar också till att lägga sig som ett täcke över jorden som håller kvar den infraröda värmestrålningen och bidrar till att öka växthuseffekten. Det hela blir mycket komplicerat att räkna på.

Metan är en mycket effektiv växthusgas, men förekommer å andra sidan i små mängder. Bidrag till metan i atmosfären kommer från förmultnande organiskt material, från utvinning av fossila bränslen och från boskapsskötsel. Speciellt i permafrosten i de nordligaste delarna på jordklotet finns mängder med organiskt material som inte har brutits ned fullständigt. När växthuseffekten gör att tundran börjar tina sätter metanproduktionen igång. Det ökar på växthuseffekten så att det tinar ännu snabbare. Det blir en självförstärkande reaktion som kan göra att vi tappar kontrollen över temperaturökningen. Cirka 40 % av alla metanutsläpp som orsakas av människor är kopplade till utvinningen av fossila bränslen. Även sophantering och avloppsvatten ger utsläpp. Att boskap ökar på mängden metan har att göra med deras matsmältning. Idisslande kor pruttar och rapar en hel del metan.

Växthusgasernas betydelse

Det mesta av växthuseffekten är naturlig och har alltid funnits. Den är bra och nödvändig för livet in den form det har på jorden. Jordens medeltemperatur är +15 °C. Utan växthuseffekten skulle medeltemperaturen vara c:a 30 °C lägre. Att vatten (H2O) kan förekomma i olika former är av grundläggande betydelse för många processer på jorden.

Men när vi talar om växthuseffekten menar vi ofta den ökade växthuseffekt som leder till global uppvärmning. Det är själva förändringen som är problematisk.

Om man rangordnar växthusgaserna så bidrar vatten mest till växthuseffekten, därefter koldioxid. Sedan följer ozon, dikväveoxid och metan.

Koldioxiden avviker på ett extremt sätt från den naturliga växthuseffekten i och med att den har ökat väldigt mycket på grund av människans påverkan. Problemet är att fossila bränslen som i årmiljoner varit gömda i marken nu förbränns och adderas till den naturliga mängden koldioxid i atmosfären.

Man kan tro att någon grad hit eller dit för jordens medeltemperatur inte skulle vara så viktig, men klimateffekterna är dramatiska. Vädersystemet är mycket känsligt och även mindre störningar kan förändra nederbörd, vindar och lokala temperaturer kraftigt.

Några exempel på hur klimatet kan påverkas är

Jorden är en planet med biosfär, dvs. ett tunt skikt på jordens yta där liv existerar. Den biologiska väven av otaliga organismer har genom evolutionen under årmiljarder anpassats till förhållandena på jorden. Om förhållandena ändras alltför snabbt hinner naturen inte anpassa sig och många arter går under. Även mindre förändringar i jordens klimat påverkar livet mycket.

Extrem växthuseffekt på planeten Venus

Uträkningar har gjorts på mängden koldioxid på jorden (inklusive den koldioxid som är bundet i form av karbonater och det som är löst i vatten) och jämförts med mängden koldioxid på Venus. Det har visat sig att mängderna är ungefär lika stora. Skillnaden är att på Venus finns den mesta koldioxiden i atmosfären medan den på jorden är löst i vattnet och bunden i kalksten och växtlighet. Venus atmosfär består till 96,5 % av koldioxid medan jordens atmosfär bara innehåller 0,03 %.

Växthuseffekten på jorden är tydlig, men på Venus är den extrem. Venus yttemperatur är därför mycket hög, ungefär 470 °C. Atmosfärstrycket på Venus är dessutom mycket högt, 95 bar, jämfört med jordens lufttryck på 1 bar.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

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.

Löslighet

När atomer eller molekyler av ett ämne blandas på atom-/jon-/molekylnivå med ett annat ämne, så säger man att ämnet löser sig. Både fasta, flytande och gasformiga ämnen kan gå i lösning på detta sätt. Ämnet som tar emot partiklarna som löser sig, och som förekommer i större mängd, kallas lösningsmedel.

Exempel på lösningar är:

En lösning behöver alltså inte vara en vätska. Det finns både fasta, flytande och gasformiga lösningar.

Begränsad löslighet

Ofta är lösligheten begränsad. Det har att göra med den jämvikt som uppstår mellan ämnet i lösning och samma ämne i ren form. Till exempel löser sig koksalt i vatten upp till 36 g per 100 ml (motsvarande 26 vikts-%) vid 20 °C.

Jonerna i den fasta natriumkloriden löser sig med jämn hastighet, vilket tenderar till att öka koncentrationen av löst ämne. Men den motsatta reaktioner sker också. Natrium- och kloridjonerna i lösningen faller ut som fast natriumklorid. Den hastighet med vilken saltet faller ut beror på hur ofta natrium- och kloridjoner stöter på varandra i lösningen. Därför ökar utfällningen av salt med koncentrationen i natriumkloridlösningen. Vid 26 vikts-% NaCl är utfällningen lika snabb som upplösningen av koksaltet. Då sker ingen nettoförändring. Man har en dynamisk jämvikt där lösningen är mättad, dvs. innehåller maximal mängd koksalt.

Obegränsad blandbarhet

Ibland är lösligheten obegränsad och det lösta ämnet och lösningsmedlet är fullständigt blandbara i alla koncentrationer. Exempel på detta är etanol i vatten. Vilken proportion av etanol och vatten du än blandar, så kommer du att få en homogen lösning, dvs. en enda fas. Du kommer inte att se någon fasgräns mellan ämnena.

Lösning av gasformiga partiklar i en annan gas har alltid obegränsad blandbarhet. Det beror på att i en gas så är partiklarna så långt ifrån varandra att de inte påverkas av några attraktionskrafter som tenderar att klumpa samman ämnena i aggregat. Alla atomer/molekyler rör sig helt fritt i gaslösningen.

Bindningskrafterna avgör lösligheten - "Lika löser lika"

När det finns ett löst ämne och ett lösningsmedel, så finns det tre alternativa bindningar som kan uppstå mellan partiklarna (atomerna/molekylerna/jonerna):

Man brukar använda en tumregel: "Lika löser lika". Det syftar på polariteten, dvs. laddningen hos partiklarna. Ämnen löser sig lättast i varandra om de är ungefär lika polära. Vi ska förklara hur detta kommer sig.

Vatten är en starkt polärt ämne. Visserligen är molekylen som helhet oladdad, men det finns en laddningsförskjutning så att syreatomen är negativ och väteatomerna positiva. Två vattenmolekyler binder varandra ganska starkt genom att syret i den ena molekylen lägger sig nära vätet i den andra vattenmolekylen. Den negativa och positiva laddningen attraherar varandra. Vatten binder alltså varandra ganska starkt.

Kolvätena i bensin är ett mycket opolära. Kolvätena är oladdade molekyler som inte heller har någon laddningsförskjutning inom sig i molekylen. Det gör att kolväten bara binder varandra svagt med hjälp av Londonkrafter (Van der Waals-krafter).

Ju starkare bindningen är, desto större chans är det att partiklarna ska klumpa sig samman. Vatten i blandning med bensin ger mycket dålig löslighet. Vattenmolekylerna klumpar samman sig med sina starka krafter och bildar en egen fas. Kolvätemolekylerna blir över och bildar en annan fas. Kolvätena bildar inte en egen fas på grund av attraktion mellan kolvätena, utan därför att de inte få vara tillsammans med vattnet. De blir så att säga ratade av vattenmolekylerna.

Om två ämnen inte har samma polaritet, men ändå inte skiljer sig åt alltför mycket, så får de en god löslighet även om den är begränsad. En möjlighet att lösa ett ämne är därför att använda lösningsmedel i flera steg. Om du till exempel har fått smutsig motorolja på händerna, så är det svårt att tvätta bort med tvål. Motoroljan är alltför opolär för att tvålen riktigt ska kunna lösa den. I ett första steg kan du då smörja händerna med margarin, som är opolärt. Oljan löser sig i margarinet. I nästa steg tvättar du bort margarinet med hjälp av tvål och vatten. Oljan som är löst i margarinet följer då med margarinet när det tvättas bort med vatten.

Luftens löslighet i vatten

Luften innehåller framför allt kvävgas och syrgas, men även små mängder av argon och koldioxid. Gaserna i luften har en viss löslighet i vatten. Lösligheten beror på vilken gas det är. Koldioxiden har en särskilt hög löslighet i vatten.

Men koncentrationen av gasen i luften påverkar också hur mycket som löser sig i vattnet. Gasen i luften och gasen i löst form i vattnet står i jämvikt. Ju mer det finns i luften, desto mer löser sig i vattnet.

I vattnet finns därför mest kvävgas, därefter syrgas och sedan löst koldioxid. Koldioxiden reagerar också med vattnet och bildar kolsyra.

Salthalten i vattnet minskar gasernas löslighet. Därför är det lite mindre lösta gaser i havsvatten än i sötvatten.

Temperaturen är också viktig. Gasernas löslighet minskar snabbt med ökande temperatur. Det kalla vattnet vintertid kan innehålla betydligt med syre än det varma sommarvattnet. Vissa fiskarter, såsom laxfiskarna, är särskilt syrekrävande. De klarar sig därför inte i varma vatten.

Henrys lag

När man ska räkna på löslighet av gaser i en vätska används med fördel Henrys lag. Till exempel för att få reda på koncentrationen av syrgas i vattnet i en sjö eller koldioxidhalten i blodplasman. Lagen lyder: Vid konstant temperatur är lösligheten av en gas i en vätska proportionell mot gasens tryck. För ämnet A gäller

pA = kA·cA
där pA gasens ångtryck över lösningen, cA är koncentrationen av löst gas A och kA är en proportionalitetskonstant som är beroende av lösningsmedlet och det som ska lösas.

För koldioxid är värdet på kA = 2,98·106 dm3Pa/mol när lösningsmedlet är vatten vid 25 °C.

Koldioxiden har särskilt hög löslighet i vatten

Koldioxid är i rumstemperatur en färglös gas som är 1,5 gånger tyngre än luft vid samma tryck och temperatur. Gasen är doftlös och har en sur smak. Smaken uppkommer då koldioxid reagerar med saliv och bildar kolsyra (H2CO3). Koldioxid är den stabilaste av kolets oxider och är slutprodukten när kol och koloxider reagerar med luft eller syre. Koldioxiden lär lättlöslig i vatten. Vid 15 °C och normalt lufttryck kan man lösa nästan 1 liter koldioxid i 1 liter vatten om man har ren koldioxid ovanför vattenytan.

gas andel i luft andel i vatten
N2 78 % 51 %
O2 21 % 31 %
CO2 0,038 % 18 %

Av luftens gaser är det framför allt kväve, syre och koloxid som löser sig i vattnet. Koldioxiden är den överlägset mest lösiga gasen i vatten, syre därnäst och kväve minst. Lösligheten av "luft" ger dock omvända ordningsföljden därför att den lösta gasen i vattnet står i jämvikt med samma gas i luften. Eftersom halten koldioxid i luften bara är 0,038 %, så blir trots allt halten koldioxid i vattnet ganska liten. I luften finns 78 % kvävgas och 21 % syrgas, vilket gör att trots marginellt lägre löslighet för kvävgas i vatten än för syrgas, så är den absoluta halten kvävgas i vattnet högre.

En anledning till att koldioxid löser sig förhållandevis bra i vatten är att den reagerar med vattnet och bildar en svag tvåprotonig syra, kolsyra (H2CO3). Syran protolyseras sedan vidare till vätekarbonat (HCO3) och karbonatjoner (CO32−). Vi har alltså kopplade jämvikter mellan luftens koldioxid och karbonatet som bildas i lösningen:

CO2(g) ⇄ CO2(aq) ⇄ H2CO2(g) ⇄ HCO3 ⇄ CO32−

Det är dock bara en liten del av syran som protolyseras när koldioxid löser sig i rent vatten, större delen av kolsyran finns löst som CO2(aq). Men om vattnet är basiskt ökar lösligheten dramatiskt. Kolsyran neutraliseras nämligen av basen och jämvikten drivs kraftigt åt höger.

Temperaturberoendet hos gasers löslighet

Lösligheten av koldioxid, och andra gaser är beroende inte bara av trycket, utan även av temperaturen. I vatten gör lägre temperatur att lösligheten för gasen ökar.

Luftens löslighet i sötvatten vid olika temperaturer.
Koldioxiden (trianglar) har oproportionerligt hög löslighet med tanke på hur låga halterna är i atmosfären. Men man kan också se en trend att koldioxidens löslighet blir relativt sett sämre vid högre temperatur. Vid 0 °C är lösligheten 50% av syrets, men vid 50 °C är den bara 30% av syrets löslighet i vatten.
Bild © Svante Åberg

Lösligheten för gaserna minskar kraftigt med temperaturen, se diagrammet ovan. När man värmer upp vattnet drivs gaserna ut. De första bubblorna man ser när vattnet börjar sjuda är lösta gaser som inte kan hållas kvar lösta i vattnet på grund av stigande temperatur. När vattnet kokar, är det inte gaser som avgår utan vatten som omvandlas till vattenånga och bubblar upp.

När vatten värms upp utan att gaserna får möjlighet att avgå bildas en övermättad lösning. Det vill säga vattnet håller mer gas än vad som möjligt. Detta är vad som sker när man värmer vatten i mikrovågsugnen till 100 grader. Då skulle normalt så gott som all gas vara löst ur vattnet. Men i en mikrovågsugn värms vattnet lika mycket i hela koppen och då cirkulerar inte vattnet och gaserna kommer inte upp till ytan och kan inte avges. Därför kan det brusa om till exempel en tepåse, eller om man rör i en kopp med vatten som blivit värmd i mikrovågsugnen. Detta skiljer sig mot att värma vatten i en kastrull, då cirkulerar vattnet på grund av att det är varmare i mitten av kastrullen än på kanterna. Varmt vatten stiger, svalnar något och sjunker längs med sidorna på kastrullen. Cirkulationen gör att gaserna hela tiden kan avges till luften ovanför.

Observera att sambandet att lösligheten minskar med ökande temperatur gäller i vatten, men inte i organiska lösningsmedel. I organiska lösningsmedel ökar lösligheten för gaserna med temperaturen.

Övermättad lösning

Ett exempel på övermättad lösning är när man kokar vatten i en mikrovågsugn. När du sedan stoppar ned tepåsen, så kanske du upptäcker att det börjar skumma. Det är överskottet av lösta gaser som avgår. Vattnet blev övermättat på gas genom att lösligheten för gaserna minskade när temperaturen ökade.

Litteratur

  1. Carbon Dioxide, Chemical of the Week, Bassam Shakhashiri
    http://www.scifun.org/CHEMWEEK/CarbonDioxide2017.pdf (2017-03-10)
  2. Carbon dioxide in Earth's atmosphere, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide_in_Earth%27s_atmosphere (2017-09-07)
  3. Ocean acidification, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_acidification (2017-09-08)
  4. Carbon Dioxide and Carbonic Acid, Utah State university
    http://ion.chem.usu.edu/~sbialkow/Classes/3650/Carbonate/Carbonic%20Acid.html (2017-09-08)
  5. Dissolved Oxygen and Carbon Dioxide, Prof. Shapley, University of Illinois
    http://butane.chem.uiuc.edu/pshapley/GenChem1/L23/web-L23.pdf (2017-09-08)
  6. Gunnar Hägg, Allmän och oorganisk kemi, 1984, 8:e upplagan, Almqvist & Wiksell, Uppsala.
  7. How Does Heat Affect the Dissolving Rate of Alka-Seltzer Tablets?, Kristi V.
    http://www.selah.wednet.edu/MS/SciProj98/7th/kristiv/seltzer.html (2002-12-10)
  8. Samarin och Samarin Antacid, Läkemedelsverket
    http://www.mpa.se/naturlakemedel/mono/samarin.shtm (2003-08-14)
  9. Natriumbikarbonat, Shenet Aroma
    http://www.shenet.se/ravaror/natriumbikarbonat.html (2003-08-14)
  10. Koldioxid, Experimentbanken
    http://experimentbanken.kc.lu.se/koldioxid/koldioxid.html (2003-08-14)
  11. Torris (kolsyreis) - koldioxid CO2, i fast form, AGA
    http://www.primetime.se/aga.htm (2003-09-02)

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?
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
Salta isen
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

jämvikt
Anden i flaskan
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Avdunstning och temperatur
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Flaskor mun mot mun
Framställ väldoftande luktämnen
Fryspunktsnedsättning
Färgämnen i M&M
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gummi och lösningsmedel
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur smakar salmiak?
Innehåller koksaltet jod?
Kemi i en plastpåse
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Luftfuktighet och rostbildning
Löslighet och pH - En extraktion
Maskrosen som krullar sig
Massverkans lag och trijodidjämvikten
Molnet i flaskan
När flyter potatisen?
Osmos i potatis
pH i kokt mineralvatten
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Reaktionshastighet med permanganat
Saltat islyft
Superabsorbenter i blöjor
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför äter vi Samarin?
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

urval experiment under revidering
Badbomber
Bjud din jäst på mat
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den bästa bulldegen
Den tunga koldioxiden
Diffusion av kopparjoner
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Eld - varför brinner det?
Elda stålull
En märklig planta
Gelégodis i vatten
Gör hårt vatten mjukt
Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi
Hur gör man kakan porös?
Indikatorpärlor
Kemi i en plastpåse
Koka vatten i en spruta
Ljuset under glaset
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
När flyter potatisen?
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Pelargonens färg
pH i kokt mineralvatten
pH-beroende avfärgning av rödkål
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Pulversläckare
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Tvätta i hårt vatten
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening

vardagens kemi
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Bestäm CMC för diskmedel
Blev disken ren?
Coca-Cola vs Coca-Cola light
Den bästa bulldegen
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Diska med äggula
Eld - varför brinner det?
Eldprovet
Enzymaktivitet i ananas
Enzymer i Tvättmedel
Ett gammalt tvättmedel, del 1: Salt ur björkaska
Ett gammalt tvättmedel, del 2: Tvål ur saltet
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Framställ en detergent
Framställ låglaktosmjölk
Fruktköttet får solbränna
Färga ullgarn med svampar
Färgämnen i M&M
Gore-Tex, materialet som andas
Gör din egen limfärg
Gör din egen tandkräm
Gör ditt eget läppcerat
Gör hårt vatten mjukt
Göra lim av kasein
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur gör man kakan porös?
Hur moget är äpplet?
Hur smakar salmiak?
Håller bubblan?
Karbidlampan
Kemisk vattenrening
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Modellmassa av mjölk
Myggmedel - hur funkar det?
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Optiska Vitmedel
Osmos i ett ägg
Osynlig gas
Pektin och marmeladkokning
Pelargonens färg
Permanenta håret
Pulversläckare
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Skär sig majonnäsen?
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Superabsorbenter i blöjor
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Såpbubblor
Tillverka din egen deodorant
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka din egen tvål, del 1: Själva tvålen
Tillverka din egen tvål, del 2: Parfymera och färga tvålen
Tillverka ditt eget läppstift
Tillverka Falu rödfärg enligt gammalt recept
Tillverka papperslim
Tillverka rengöringskräm
Tvätta i hårt vatten
Utfällning av aluminium
Utvinna järn ur järnberikade flingor
Vad händer då något brinner?
Vad händer när degen jäser?
Vad innehåller mjölk?
Vad är det i saltet som smakar salt?
Vad är skillnaden mellan maskin- och handdiskmedel?
Varför färgas textiler olika?
Varför kan man steka i smör och olja men inte i lättprodukter?
Varför mörknar en banans skal?
Varför rostar järn och hur kan man förhindra det?
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Ägget i flaskan
Ärg på en kopparslant
Äta frusen potatis