Kondomen i flaskan

Tillhör kategori: aggregationsformer, fysikalisk kemi, jämvikt

Författare: Ronnie Lindberg

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

Kondomen i flaskan

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Detta experiment illustrerar på ett roligt sätt att vatten i vätskeform kräver betydligt mindre plats än vatten i gasform.

Riktlinjer

Experimentet kan med fördel göras som demonstration.

Säkerhet

Inget avfall bildas under experimentet, däremot förekommer höga temperaturer vilket kräver försiktighet.

Materiel


Bild 2: Försöksmaterielen


Förarbete

Inget förarbete.

Utförande

  1. Häll lite vatten i E-kolven.
  2. Värm kolven tills vattnet kokar. När vattnet kokat ett tag, utan att allt vatten för den skull kokat bort, sätt då en kondom över E-kolvens mynning.
  3. Ta med tång/handske tag i E-kolven och för ned den i det kalla vattenbadet.

När man satt kondomen på kolven blåses den till en början upp för att sedan, när man fört ned den i vattnet, krympa och sugas in i kolven.

Bild 3: Kondom som krymper.Bild 4: Kondom i E-kolv.


Ju snabbare man för ner kolven i vattnet desto mindre hinner kondomen blåsas upp. En variant kan dock vara att fortsätta värma kolven då man trätt på kondomen. Det kan då uppstå ett läge där kondomen slutar att blåsas upp och bara står där som en stor ballong (se bild 1).

Förklaring

När vattnet i E-kolven når 100 °C, vattnets kokpunkt, övergår vattnet till vattenånga. Eftersom vattenångan tar större plats än vattnet kommer vattenångan att trycka luften ur kolven. En hel del vattenmolekyler åker också ut genom kolvens mynning. När kondomen träs på och kolven stoppas ner i det kalla vattnet, kyls vattenångan i kolven och övergår åter till vätskeform. Eftersom ett flertal molekyler redan lämnat kolven finns nu ett stort tomrum däri, vilket innebär att trycket i kolven är lägre än trycket utanför. Det höga omgivande trycket trycker ner kondomen i kolven för att utjämna tryckskillnaden.

(Om man, efter att ha trätt på kondomen, väntar ett tag innan man stoppar ner kolven i det kalla vattnet, kommer vatten att fortsätta omvandlas till vattenånga. Kondomen kommer därför att fortsätta blåsas upp. Blåses den upp tillräckligt mycket kommer dess övre del så pass långt från värmekällan att vattenångan längst upp i kondomen kondenseras och blir vatten som åter rinner ner i kolven. Ett läge där trycket varken ökar eller minskar har uppstått och kondomen fortsätter därför inte att blåsas upp.)

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Aggregationsformer

Ämnen kan förekomma som fasta, vätskor eller gaser. Dessa tillstånd kallas aggregationsformer (latin aggregáre = samla). Namnet syftar på att ämnenas beståndsdelar är olika tätt samlade i de tre tillstånden.

Bild 5: I ett fast ämne, längst till vänster, är atomerna/molekylerna tätt sammanhållna. I ett flytande ämne har sammanhållningen mellan partiklarna minskat, och i ett ämne i gasform svävar partiklarna omkring helt fritt.


Även om trycket har en betydelse är det vanligen temperaturen som avgör ett ämnes aggregationsform. Temperatur är ett mått på hur fort ett ämnes beståndsdelar rör sig. Ju högre temperaturen är desto snabbare rör de sig. Vid låga temperaturer rör sig molekylerna så lite att kemiska bindningar mellan dem klarar av att hålla dem samlade. Om man däremot höjer temperaturen minskar sammanhållningen mellan molekylerna som då kan röra sig mer, och om man värmer ordentligt kan molekylerna till och med röra sig så mycket att bindningarna helt bryts och molekylerna fritt kan sväva omkring. Man säger att ämnet börjar koka och övergår till gasform. Detta sker vid en viss temperatur som är olika för olika ämnen. Denna temperatur kallas för ämnets kokpunkt.

Vatten och dess kokpunkt

Vatten är på många sätt ett mycket intressant ämne. Bland annat har vatten en mycket högre kokpunkt jämfört med ämnen med liknande molekyluppbyggnad. Vattenmolekyler hålls nämligen samman av en mycket kraftfull bindning som kallas vätebindning, och är den starkaste bindningsformen mellan molekyler. Vätebindning kan endast uppkomma mellan väteatomen i en molekyl och en annan, liten, starkt elektronegativ atom i en annan molekyl. Vätebindning uppstår därför bara i märkbar grad endast då väte är bundet till kväve, syre eller fluor. Det som gör vätebindningen möjlig är att den starka elektronegativiteten hos kväve, syre och fluor praktiskt taget sliter loss elektronerna från väteatomen. Väteatomen får då ett positivt laddningsöverskott vilket gör att den attraheras av det negativa laddningsöverskottet hos kvävet, syret eller fluoret i den angränsande molekylen. Eftersom vätebindningen är så stark krävs det mycket energi (högre temperatur) för att bryta den. Detta leder till att vattnets kokpunkt blir hög, nämligen 100 °C.

Bild 6: Mellan vattenmolekyler uppstår en attraktionskraft som beror på att en väteatom i en vattenmolekyl binds samman med en annan vattenmolekyls syreatom.


Gaser och gastryck

En gas är alltså ett ämne vars partiklar har så stor rörelseenergi att inga krafter mellan molekylerna klarar av att hålla molekylerna bundna vid varandra. I ett gasformigt ämne upptar därför molekylerna en mycket större volym än de gör som vätska eller fast ämne. Eftersom molekylerna i en gas rör sig fritt, fyller en gas snabbt ut det kärl den befinner sig i. Molekylernas rörelser leder också till att de ständigt krockar med varandra och med väggarna i kärlet. Molekylerna utövar därmed en kraft på kärlets väggar - ett tryck. Tryck mäts, enligt SI-systemet, i Pascal (Pa) och beräknas som kraft per ytenhet. Trycket, som en gas ger upphov till i ett kärl, påverkas av substansmängden gas, temperaturen och kärlets volym.

Den allmänna gaslagen

Substansmängden är ett mått på antal partiklar (atomer eller molekyler) av ett visst ämne. Substansmängden mäts i mol, och motsvarar det antal atomer som finns i 12 gram kol av isotopen 12C. Genom experiment har man kommit fram till att 1 mol av ett ämne innehåller 6,022·1023 partiklar. Det har visat sig att om man håller temperaturen och volymen konstant, är trycket som gasen ger upphov till proportionell mot substansmängden. Att ökad substansmängd ger ökat tryck verkar rimligt eftersom fler gasmolekyler då kan kollidera med kärlets väggar.

Även en temperaturhöjning ger upphov till ökat tryck om substansmängd och volym hålls konstant. Temperaturen är ju ett mått på molekylernas rörelse och ökad temperatur ger då upphov till fler kollisioner. Genom experiment har man kommit fram till att trycket är proportionellt mot temperaturen.

Trycket är däremot omvänt proportionellt mot volymen. Om vi håller substansmängden och temperaturen konstant men minskar volymen kommer molekylerna att kollidera oftare på grund av att de har mindre plats att röra sig på.

De tre proportionaliteterna ger tillsammans det samband som brukar kallas den allmänna gaslagen:

p·V = n·R·T
p = trycket i Pascal (Pa)
V = volymen i m3
n = substansmängden i mol
R = konstant med värdet 8,314 J/(K·mol)
T = temperaturen i grader Kelvin (K)

Ideala gaser

Med hjälp av den allmänna gaslagen kan man exempelvis beräkna hur stor volym en viss mängd gas tar upp vid ett visst tryck och temperatur. Problemet är att formeln bara gäller för ideala gaser. Med en ideal gas menas en gas där molekylerna inte attraherar varandra, och där dessutom molekylernas egen volym är helt försumbar. En sådan gas finns naturligtvis inte i verkligheten, men en reell (verklig) gas avviker ofta inte så mycket från det tillstånd som kallas ideal gas.

Molvolym

I experimentet med kondomen utnyttjades det faktum att vattnets molekyler började röra sig snabbare och därmed ta större plats då temperaturen höjdes. Därigenom trycktes en del molekyler ur kolven. (Jämför med allmänna gaslagen: Om temperaturen ökar, men trycket och volymen är konstant måste substansmängden minska, dvs en del molekyler trycks ut.) Då vi sedan trädde på kondomen över mynningen och sänkte temperaturen sjönk trycket i kolven. (Både volymen och substansmängden var konstant.) Det omgivande trycket blev således högre än trycket i kolven vilket ledde till att kondomen trycktes in i kolven.

I princip hade vi inte behövt använda vatten i kolven i vårt experiment. De flesta ämnen reagerar på så sätt att en uppvärmning ger upphov till att ämnet tar större plats, vilket innebär att vi kunde gjort experimentet med bara luft i kolven. Volymskillnaden mellan vatten i vätske- och gasform är dock otroligt mycket större än vad skillnaden är mellan varm och kall luft. En mol flytande vatten tar vid rumstemperatur upp en volym av ca 18 cm3. I gasform, vid 100 °C och normalt lufttryck, är vattnets molvolym (dvs den volym som en mol av ett ämne upptar) ca 31 dm3, om vi antar att vattenånga är en ideal gas. Eftersom vattnets volym ökar så mycket (1000-2000 ggr) lämpar det sig utmärkt i vårt experiment och leder till en stor tryckskillnad mellan kolvens ut- och insida.

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.

Avdunstning

Avdunstning (förångning) innebär att molekylerna i en vätska sliter sig loss från vätskefasen och övergår till gasfas. Normalt talar man om avdunstning för temperaturer som ligger under kokpunkten, men kokning innebär bara att avdunstningen blir snabbare.

Avdunstningen innebär en fasövergång, att molekylerna övergår från att vara i vätskeform till att vara i gasform. Vätskan och gasen är olika faser av samma ämne. Med en fas menar man ett område där ämnet ser likadant ut, t.ex. att det är flytande eller fast.

Motsatsen till avdunstning är kondensation, dvs. när en gas övergår till vätska.

Vattnet blir kallare när det det avdunstar

Avdunstning
Bild: © Svante Åberg

Vatten i ett öppet kärl avdunstar. Avdunstningen är en process om kräver energi, faktiskt samma energi som när vattnet förångas genom kokning. Mellan vattenmolekylerna finns attraktionskrafter. När en molekyl ska lämna vattenytan måste den övervinna dessa attraktionskrafter, som vill dra den tillbaka. Det kräver energi.

Vattenmolekylerna har rörelseenergi. Ju varmare vattnet är, desto snabbare rör sig molekylerna. I vatten av en viss temperatur rör sig dock några molekyler snabbare och några långsammare. De snabbaste vattenmolekylerna är de som lättast lämnar vätskeytan och förvinner ut i luften. Kvar blir de långsammare, "kallare", molekylerna. Vattnets temperatur sjunker därför på grund av avdunstningen.

Andra vätskor beter sig på samma sätt som vatten. Skillnaden är hur starka bindningarna är mellan molekylerna i vätskefasen. Till exempel är bindningarna mellan etanolmolekyler svagare än bindningarna mellan vattenmolekyler. Det innebär att etanol avdunstar snabbare vid samma temperatur. Även om varje etanolmolekyl inte för bort lika stor energimängd från lösningen, så kan avdunstningen vara så snabb att avkylningseffekten ändå blir större än för vatten räknat per tidsenhet. Men avdunstningen kan inte pågå lika länge eftersom all etanol har avdunstat långt innan allt vatten har hunnit avdunsta.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Gas

Gaser har speciella egenskaper som skiljer dem från vätskor och fasta ämnen. I en gas är avståndet mellan partiklarna mycket större än i en vätska. Avståndet är så stort att det inte finns några intermolekylära krafter som håller ihop partiklarna. De rör sig med stor hastighet, oordnat och fritt från varandra.

Gastryck av molekylernas kollisioner

En molekyl är väldigt liten, men det finns väldigt många! Varje gång en molekyl stöter emot ytan, på en burk t ex, så ger den en liten rekyl som tenderar att stöta bort föremålet. Alla molekylernas stötar ger tillsammans ett tryck som är större än man normalt föreställer sig. Vid normalt lufttryck är kraften 1000 N per dm2. Det motsvarar tyngden av 100 kg på varje kvadratdecimeter eller tyngden av 10 ton på varje kvadratmeter!

Att inte burkar, människor, fotbollar med mera trycks ihop av de väldiga krafterna beror på att det finns ett mottryck inifrån som är lika stort.

I figuren nedan ser man att det är fler molekyler som kolliderar med väggen på vänster sida än på höger. Gastrycket är alltså högre på vänster sida om väggen.

Gastrycket orsakas av molekylernas många små stötar. Gastrycket till vänster om väggen är högre därför att det är fler kollisioner.
Bild: © Svante Åberg

Kollisionerna på ömse sidor om väggen är ungefär lika kraftiga, vilket betyder att partiklarna rör sig ungefär lika fort. Man kan alltså dra slutsatsen att temperaturen är densamma på båda sidor om väggen.

Temperatur, kärlets volym och substansmängden påverkar trycket

Partiklarna kolliderar med varandra och med det omgivande kärlet. Det utgör gasens tryck. Trycket hos en gas beror på flera saker:

Alltså, trycket är proportionellt mot absolut temperatur och substansmängd och omvänt proportionellt mot volymen. Detta kan sammanfattas i Allmänna gaslagen.

Allmänna gaslagen:
pV = nRT
p = tryck, Pa
V = volym, m3
n = substansmängd, mol
T = temperatur, Kelvin
R = proportionalitetskonstant = 8,3145 J K-1 mol-1

Molvolym

Gasmolekylernas sammanlagda volym är väldigt liten i förhållande till gasens totala volym. Detta gör att en viss substansmängd av i stort sett alla gaser har samma volym vid samma tryck och temperatur. Gaserna har samma molvolym, och vid standardtryck och standardtemperatur (STP: p = 1 atm = 101,325 kPa = 1,01325 bar, T = 25 °C = 298,15 K) är molvolymen 24,47 dm3/mol.

Gasens densitet

Enklast är att räkna på en mol av gasen. Till exempel väger en mol koldioxid (CO2) 12,0 g + 2·16.0 g = 44,0 g. Vid standardtemperatur och tryck (se ovan) är molvolymen 24,47 dm3. Då är densiteten 44,0 g/24,47 dm3 = 1.80 g/dm3.

Luft består till ungefär 20% av syrgas (O2) och 80% kvävgas (N2). En mol syrgas väger 2·16.0 g = 32.0 g. En mol kvävgas väger 2·14.0 g = 28.0 g. En mol luft innehåller 0,20 mol syre och 0,80 mol kväve. En mol luft väger då 0,20·32,0 g + 0,80·28,0 g = 28,8 g. Vikten genom molvolymen blir då 28,8 g/24,47 dm3 = 1.18 g/dm3.

Dessa två beräkningar visar att koldioxid är tyngre än luft. Därför sjunker koldioxid till marken när den släpps ut i luften.

En motsvarande beräkning av densiteten för vattenånga (H2O) ger densiteten 18,0 g/24,47 dm3 = 0,73 g/dm3. Man kan alltså se att vattenångan är mycket lättare än luften. Därför stiger vattenånga som avdunstar från marken och vattendragen uppåt i osynliga bubblor av ånga. När vattenångan kommit tillräckligt högt är temperaturen så låg att den kondenserar till vattendroppar och blir synlig i form av moln.

Gaspartiklarnas rörelseenergi

Gaspartiklarna rör sig slumpmässigt, men i genomsnitt har de en rörelseenergi som motsvarar temperaturen. Ju högre temperaturen är, desto snabbare rör sig partiklarna. Temperaturen är därför ett mått på gaspartiklarnas rörelseenergi.

När man har en blandning av gaspartiklar som väger olika mycket, så får olika tunga partiklar ändå samma genomsnittliga rörelseenergi. Det innebär att tunga gaspartiklar rör sig långsammare än lätta gaspartiklar, annars skulle inte rörelseenergierna vara lika.

Till exempel rör sig vätemolekyler (H2) med molekylmassan 2 u 3.74 gånger snabbare än kvävemolekyler (N2) med molekylmassan 28 u. Man skulle kunna tro att vätet skulle röra sig 14 gånger snabbare eftersom kvävet är 14 gånger tyngre, men rörelseenergin är proportionell mot kvadraten på hastigheten. Därför blir kvoten mellan hastigheterna √ 28/2 = √ 14 = 3.74.

Gaslagar

Volymen och/eller trycket hos en gas varierar med temperaturen. Det beror på att med ändrad temperatur ändras gasmolekylernas rörelsehastighet. Om temperaturen sänks avtar hastigheten, krockarna mellan molekyler och molekyler och väggar blir mildare och rekylerna mindre. Om väggen kan krympa (t.ex. i en ballong) minskar volymen.


Gastrycket hos den inneslutna luften i ballongen balanseras precis av lufttrycket utanför ballongen plus ballongens elastiska sammandragning. Ifall luften är innestängd i en plastpåse som bara är delvis fylld, så bidrar inte påsen med något eget tryck, utan det är enbart det yttre lufttrycket som balanseras.
Bild: © Svante Åberg

Volymen och/eller trycket beror också på substansmängden gas, dvs. hur många mol gas vi har. En större mängd kräver antingen större volym eller ger högre tryck.

För att uttrycka sambanden mellan olika tryck, volym, temperatur och substansmängd hos gaser används följande beteckningar och enheter:

p = tryck (N/m2)
V = volym (m3)
T = absolut temperatur (K)
n = substansmängd (mol)
R = proportionalitetskonstant i allmänna gaslagen med värdet 8,314 J K-1 mol-1
k1, k2 osv. = proportionalitetskonstanter i gaslagarna med olika enheter

Allmänna gaslagen (gasernas allmänna tillståndsekvation) sammanfattar sambanden mellan substansmängd, temperatur, tryck och volym till en formel:

p·V = n·R·T (R = 8,314 J K-1 mol-1)

Evangelisto Torricello

Gaslagarna började undersökas 1643. Det började med barometern och en man som hette Evangelisto Torricello (1608-1647). Torricello använde kvicksilver för att tillverka den första barometern 1643.

Torricello fick ingen gaslag uppkallad efter sig. Däremot blev han ärad genom enheten Torr för tryck. En Torr motsvarar en mm av kvicksilverpelaren i hans barometer.

Boyles gaslag - trycket gånger volymen är konstant

Detta ledde till att Robert Boyle (1627-1691) kunde upptäcka sambandet mellan tryck och volym. År 1622 publicerade Boyle det som idag är känt som Boyles lag, dvs. att volymen av en gas är omvänt proportionell mot det absoluta trycket. Det kan också uttryckas som att produkten av trycket och volymen är konstant.

Sambandet mellan tryck och volym visas i Boyles lag:

p·V = k1 (vid konstant T och n)

Charles gaslag - volymen är proportionell mot absoluta temperaturen

I slutet av 1700-talet tog Jacques Charles (1746-1823) nästa steg på vägen mot gasernas allmänna lag. Charles gjorde vetenskapliga undersökningar om sambandet mellan trycket och temperaturen hos gaser i slutna behållare med konstant volym och kom fram till Charles lag, men han publicerade aldrig sitt arbete och det var inte förrän 1808 som resultaten publicerades. Han visade att volymen är proportionell mot absoluta temperaturen under förutsättning att trycket hålls konstant.

Sambandet mellan volym och temperatur visas i Charles lag:

V = k2·T (vid konstant p och n)


När man prickar in de experimentellt erhållna värdena för volym och temperatur kan man extrapolera den räta linjen till absoluta nollpunkten.
Bild: © Svante Åberg

Gay-Lussacs gaslag - trycket är proportionellt mot absoluta temperaturen

Resultaten publicerades då av Joseph Gay-Lussac (1778-1850) som hade gjort de slutliga mätningarna. Gay-Lussac fortsatte att undersöka sambandet mellan volymen och temperaturen hos inneslutna gaser vid konstant tryck och idag finns Gay-Lussacs lag uppkallad efter honom.

Sambandet mellan tryck och temperatur visas i Gay-Lussacs lag:

p = k3·T (vid konstant V och n)

Dalton gaslag - det totala gastrycket är summan av partialtrycken för de enskilda gaserna i en blandning

Daltons lag presenterades 1801 av John Dalton (1766-1844): det totala trycket av en blandning av är lika med summan av det partiala trycket av varje enskild gas. Partialtrycket är trycket som varje gas skulle utöva om det ensam befann sig i samma volym som de blandade gaserna med samma temperatur.

Sambandet mellan partialtrycken och det totala trycket visas i Daltons lag:

p = p1 + p2 + p3 + ... (vid konstant T och V)

Avogadros gaslag - volymen är proportionell mot substansmängden

År 1811 publicerade Amadeo Avogadro (1776-1856) en artikel som presenterade att alla gaser vid samma temperatur och tryck, lika volymer av olika gaser innehöll samma antal molekyler. Denna idé ignorerades i nästan 50 år och det var inte förrän Stanisalo Cannizaro 1860 presenterade Avogrados arbete som man erkände det. Idag kallas en mol för Avogadros konstant. Genom denna upptäckt börjar vår moderna syn på gaser.

Sambandet mellan volym och substansmängd visas i Avogadros lag:

V = k4·n (vid konstant T och p)

Allmänna gaslagen

Alla dessa samband kan sammanföras i den allmänna gaslagen eller gasernas allmänna tillståndsekvation:

p·V = n·R·T (R = 8,314 J K-1 mol-1)
Ideala gaser

Den allmänna gaslagen har vissa begränsningar. Den förutsätter att gasmolekylerna inte påverkar varandra. Vid höga tryck eller temperatur nära kondensationspunkten får de så låg energi eller kommer så nära varandra att detta inte gäller. Man har infört begreppet ideala gaser för de tänkta gaser som inte har några intermolekylära krafter. I den ideala gasen antas också att själva gasmolekylerna saknar volym.

Mer om vetenskapsmännen bakom lagarna

Det verkar ha rått delade meningar under olika tider och i olika länder om vilken vetenskapsman som ska namnge vilken lag. En presentation av männen ger en inblick i naturvetenskapens utvecklingshistoria under tre sekler.

Robert Boyle

Boyle var son till en brittisk earl och levde 1627-1691. Han studerade både i hemlandet och i Genève och Florens. Boyle ägnade mycket tid åt experiment, något som inte var så vanligt på den tiden. Studier av fysikaliska och kemiska fenomen i lufttomt rum studerades, bl.a. Boyles tankar runt hur små enheter av materia förenas i bestämda grupperingar var början till molekylbegreppet.

Jacques Charles

Charles var fransman och levde 1746-1833. Han blev professor i fysik och var pionjär på ballongflygningens område.1783 gjorde han den första uppstigningen med sin egenhändigt konstruerade vätgasballong. Han ägnade bl.a. sin forskning åt att studera hur gasers volym påverkas av temperaturen.

Joseph-Louis Gay-Lussac

Gay-Lussac var också fransman och professor i fysik. Han levde 1778-1850. Gay-Lussac gjorde ballonguppstigningar och tog luftprover från olika höjder. Han upptäckte att väte och syre förenades till vatten i volymförhållandet 2 till 1 och fortsatte att studera gasreaktioner. Vidare förbättrade han framställningstekniken för natrium, kalium och svavelsyra och upptäckte grundämnet bor.

John Dalton

Dalton som levde 1766-1844 är känd som den moderna atomteorins grundare. Den formulerades i början av 1800-talet och stod sig i nästan 100 år. Dalton observerade viktförhållandet mellan olika ämnens minsta partiklar och detta ledde honom till atomteorin. Han antog att grundämnen bestod av med en för ämnet karaktäristisk massa. Dalton skrev meteorologisk dagbok i 57 år och gjorde undersökningar på partiell färgblidhet.

Amadeo Avogadro

Italienaren Avogadro, som levde 1767-1856, var först jurist och ämbetsman. Han blev, efter att ha bytt bana, professor i naturfilosofi och fysik. Inspirerad av Gay-Lussacs studier av gasers volymförhållanden vid kemiska reaktioner formulerade han tesen att alla gaser vid samma tryck och temperatur innehåller samma antal molekyler. Detta accepterades på 1860-talet.

Avogadro har fått ge namn åt Avogadros konstant, antalet molekyler eller partiklar i substansmängden en mol.

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.

Ångtryck och kokpunkt

Ångtryck och yttre tryck lika vid kokpunkten
Bild: © Svante Åberg

I en bägare med vatten trycker luften på vätskeytan med 1 atmosfär, vilket är cirka 1000 N dm-2. Det motsvarar tyngden av 100 kg på 1 dm2. Å andra sidan bildas ett tryck i vätskan av den ånga som bildas när vatten avdunstar. Ångtrycket ökar snabbt med temperaturen. Vid 100 °C är ångtycket lika stort som atmosfärstrycket. Det är den temperatur då vattnet börjar koka. Det som händer är att ångtrycket av bubblorna i vätskan övervinner atmosfärens tryck. Då blir det möjligt för bubblorna att expandera (utvidgas).

Om lufttrycket ovanpå vätskan är lägre, så krävs inte lika hög temperatur för att ångtrycket ska övervinna lufttrycket. Därför kokar vatten vid lägre temperatur när trycket sänks. Det är vad som sker när man drar ut pistongen i sprutan. Trycket blir faktiskt så lågt i experimentet att vattnet kokar redan vid rumstemperatur.

Vattnets ångtryck som funktion av temperaturen
Bild: © Svante Åberg

I diagrammet till höger kan man avläsa ångtrycket för vatten vid olika temperaturer. Om man vill veta vid vilken temperatur vattnet kokar vid ett viss tryck, så går man från y-axeln till grafen och ned till x-axeln. T ex kan man för 0,5 atmosfärer avläsa att vattnet kokar vid 80 °C.

Andra vätskor uppför sig på liknande sätt som vatten, men ångtrycket kan vara genomgående högre eller lägre än för vatten. Ren etanol kokar (dvs uppnår en atmosfärs ångtryck) vid 78,5 °C, isopropanol vid 82,4 °C och aceton vid 56,2 °C.

Explosionsrisk med instängda vätskor

Om man stänger in vatten i en tät behållare, som man värmer, kan trycket stiga långt över 1 atmosfär. I diagrammet ser vi att det räcker med cirka 120 °C för att nå dubbla lufttrycket, och trycket fortsätter öka mycket snabbt med ökande temperatur. För eller senare brister behållaren som vattnet finns i och man får en explosion. Kraften i en sådan explosion är långt större än vad man normalt kan föreställa sig och kan vara rent livsfarlig. Dessutom är de expanderande gaserna skållheta och kan leda till svåra brännskador. Värm därför aldrig ett tätslutande kärl som innehåller vätska!

Varmvattenberedare är exempel på att man värmer vatten som är instängt. Temperaturen kontrolleras emellertid av en termostat så att temperaturen aldrig når kokpunkten. Man måste ställa höga krav på temperaturkontrollen. Det har hänt att varmvattenberedare exploderat med svåra följder.

Lufttrycket på Mount Everest

Lufttrycket på toppen av Mount Everest, som är 8853 m högt, är bara 33 % av trycket på havets nivå. Luften är så tunn att helikoptrar inte kan flyga. Flygplanet Boeing 747 (Jumbo Jet) brukar flyga bara något högre än Mount Everest, nämligen på 34 000 fots höjd, vilket är 10 363 m.

För bergsbestigarna är det svårt att få tillräckligt med syre eftersom varje andetag bara ger en tredjedel så mycket luft. Kroppens reaktion på lågt lufttryck är att producera fler röda blodkroppar för att öka syreupptagningsförmågan. Under OS 1968 i Mexico, som hölls på hög höjd, vanns 4 av 5 långdistanslopp av idrottsmän som levt på höga höjder.

Ett lustigt fenomen är att vatten kokar redan vid 70 °C på toppen av Mount Everest.

mer material på avancerad nivå kommer

Vattenånga i jämvikt med vattenlösning

Avdunstning och kondensation sker samtidigt

Från en vattenyta avdunstar vattenmolekyler som gör luften fuktigare. Samtidigt kan vattenånga i luften kondensera och bilda vatten. Båda processerna sker hela tiden, men vi kan inte se det omedelbart. Men väntar man från en dag till en annan kan man se att ett fat med vatten torkar upp, vilket visar på att avdunstning har skett. Man kan också se att det bildas dagg på marken när luften är fuktig och sval, vilket är ett exempel på kondensation.

Motsatta processer leder till jämvikt

Processerna pågår hela tiden, men närmar sig ett jämviktstillstånd. Om temperaturen är hög, så är halten av vattenånga i luften högre vid jämvikt. Det är orsaken bakom att den värmande solen gör att marken torkar upp och det bildas stackmol på himlen framemot eftermiddagen. Molnen kommer från vattnet som har avdunstat.

När det är kallt så innehåller luften bara lite vattenånga vid jämvikt. Daggen bildas under natten eftersom det är då det blir kyligt. Det är också därför som luften är torrare inomhus vintertid. Inomhusluften kommer ju utifrån via ventilationen.

Avdunstning

När man har en vattenlösning avdunstar vattenmolekyler från ytan. Avdunstningen innebär att vattenmolekyler lyckas slita sig loss från sina grannar och flyga iväg upp i gasfasen ovanför vätskan. Det krävs energi för att slita sig loss. Den energin kommer från molekylernas temperaturrörelser. Bara de snabbaste molekylerna rör sig tillräckligt snabbt för att avdunsta.

Hur snabb avdunstningen är beror på två saker. Det handlar dels om koncentrationen av vattenmolekyler vid ytan, dels hur snabbt molekylerna rör sig.

Rent vatten har maximal koncentration. Det finns många vattenmolekyler per ytenhet, dvs. det är många vattenmolekyler som har en chans att lämna vätskan och avdunstningen blir därför relativt snabb. Om man har en vattenlösning, t.ex. av ett salt, så är en del av utrymmet upptaget av saltjonerna som dessutom binder till sig som ett skal av vattenmolekyler som inte är fria att röra sig. Det betyder att koncentrationen av fria vattenmolekyler i lösningen är lägre än i rent vatten. Det är då färre molekyler som har en chans att avdunsta, vilket gör att avdunstningen blir långsammare. I stort sett är avdunstningshastigheten proportionell mot andelen fria vattenmolekyler i lösningen. Om en lösning t.ex. bara innehåller 60 % så många fria vattenmolekyler per ytenhet som rent vatten, så kommer avdunstningshastigheten att vara ungefär 60 % av avdunstningen från rent vatten.

Det andra som påverkar avdunstningshastigheten är temperaturen. För att kunna avdunsta måste en vattenmolekyl röra sig tillräckligt snabbt. Temperaturen är en mått på hur snabbt molekylerna rör sig i genomsnitt. Temperaturrörelsen är kaotisk med krockar mellan molekylerna som ibland får en puff så att de rör sig snabbare, ibland bromsas upp. Det är bara en liten andel av molekylerna som rör sig så snabbt att de kan slita sig loss från sina grannar i vätskan och avdunsta ut i gasfasen. Men ju högre temperaturen är, desto större är andelen som faktiskt är tillräckligt snabba och har chansen att lämna vätskeytan. Därför är avdunstningen snabbare vid högre temperatur.

Kondensation

Kondensation är den motsatta reaktionen till avdunstning. När vattenmolekyler i luften träffar vätskeytan är sannolikheten stor att de fångas upp. Molekylerna som fångas upp övergår från gas- till vätskeform.

Hur snabbt vattenångan kondenserar beror på hur många vattenmolekyler det finns i gasen som kan kondensera. Om luften är helt torr, dvs. med 0 % relativ luftfuktighet, så finns det ingen vattenånga som kan kondensera. Vid 100 % relativ luftfuktighet är kondensationen maximal.

Jämvikten

Eftersom avdunstning och kondensation är motsatta processer, så beror det på vilken som är snabbare om det blir en nettoavdunstning eller nettokondensation. Om vi har nettoavdunstning så tillförs gasen mer vattenånga än den förlorar. Det betyder att halten av vattenångan ökar. Men när halten av vattenånga ökar så ökar också kondensationshastigheten. Det betyder att skillnaden i hastighet mellan avdunstning och kondensation minskar. Till slut är kondensation och avdunstning lika snabba. Då är nettoförändringen noll, det "händer ingenting".

Bild: © Svante Åberg
Avdunstningen är hela tiden lika snabb eftersom koncentrationen av vattnet i lösningen är konstant. I början när luften är helt torr sker ingen kondensation. När tiden går ökar vattenångan i luften och därför också kondensationen. Till slut kondenserar vattenånga lika snabbt som vatten avdunstar. Då har nettoavdunstningen sjunkit till noll.

Bild: © Svante Åberg
När lika många vattenmolekyler lämnar vattenytan genom avdunstning som de som fångas upp i vattenytan genom kondensation, så blir nettoresultatet ingen förändring, dvs. man har dynamisk jämvikt.

Jo, faktiskt pågår avdunstning och kondensation fortfarande med full fart, men det märks ingen förändring. Ett sådant tillstånd kallas dynamisk jämvikt. "Dynamisk" syftar på att reaktionerna pågår, "jämvikt" syftar på ett tillstånd där det inte sker någon nettoförändring. I detta exempel har jämvikt nåtts mellan processerna:

H2O(l)H2O(g)
H2O(l)H2O(g)

Att jämvikt föreligger utmärks ofta med dubbla pilar, alltså H2O(l) ⇌ H2O(g).

Ångtryck över lösningar

Trycket kommer från gasmolekylernas kollisioner

Gasmolekyler rör sig snabbt och kolliderar ständigt med fasta ytor. Alla de små kollisionerna ger ett tryck på ytan. Det trycket kallar vi för gastryck, eller ångtryck.

Om det finns olika sorters gasmolekyler, några lättare och några tyngre, så påverkas trycket ändå inte av hur tunga molekylerna är. Det beror på att temperaturen jämnar ut sig för alla sorters molekyler så att de får samma rörelseenergi. De tyngre molekylerna rör sig långsammare än de lättare. Resultatet blir att ett antal molekyler av en sort ger samma tryck som lika många molekyler av en annan sort.

Vatten som avdunstar ger ångtryck

Om vi har vanlig luft så är innehållet cirka 20% syre och 80% kväve. Dessutom finns små mängder av vattenånga. Om det avdunstar mycket vatten så att luften blir fuktigare, så ökar andelen vattenånga. Vattenångan är också en gas, men molekylerna är vatten. På samma sätt som syre och kväve ger vattenångan ett ångtryck.

Men om det flytande vattnet inte är rent vatten, utan innehåller lösta ämnen, så avdunstar vattnet inte lika lätt. Det gör att ångtycket av vattenångan blir lägre över en vattenlösning innehållande t.ex. salt. Ju mer löst ämne i vattnet, desto lägre blir vattnets ångtryck.

Inverkan av det lösta ämnet i vattnet

Vi ska försöka reda ut hur ett löst ämne med hög kokpunkt (icke flyktigt) påverkar ett lösningsmedel: När vi löser ett ämne med hög kokpunkt i ett lösningsmedel, så kommer det lösta ämnet att minska antalet lösningsmedelmolekyler per volymenhet, dvs. koncentrationen av lösningsmedlet minskar genom utspädning. Antalet lösningsmedelsmolekyler på ytan minskar på motsvarande sätt. Färre molekyler har därför tillfälle att avdunsta från vätskeytan, och avdunstningen blir långsammare. I exempelvis en lösning med 50% av ett icke flyktigt löst ämne och 50% molekyler av lösningsmedlet så blir avdunstningen av lösningsmedel hälften så snabb. Om lösningen befinner sig i ett stängt kärl så kommer luften ovanför att så småningom mättas med ånga så att jämvikt uppstår. Ångtrycket vid jämvikt över den 50%-iga lösningen kommer då att vara hälften så stort som ångtrycket över rent lösningsmedel.

Bild: © Svante Åberg
Vid jämvikt är ångtrycket ungefär proportionellt mot koncentrationen av lösningsmedel i lösningen.

Raoults lag

Detaljerade studier om gastryck av lösningar där det finns ett löst ämne med hög kokpunkt, utfördes av Francois M. Raoult (1830- 1901). Hans resultat är sammanfattat som Raoults lag.

Plösning = Xlösningsmedel·Prent lösningsmedel

där
Plösning = ångtrycket vid jämvikt över den aktuella lösningen
Xlösningsmedel = andelen lösningsmedel i lösningen
Plösningsmedel = ångtrycket vid jämvikt över det rena lösningsmedlet

I en lösning där hälften är molekyler av det lösta ämnet och andra halvan molekyler av lösningsmedel, är Xlösningsmedel = 0,5 och man får Plösning = 0,5·Prent lösningsmedel.

Raoults lag förutsätter ideala lösningar där bindningskrafterna är lika starka oberoende av om det är mellan lösningsmedelsmolekyler, mellan lösta molekyler av det lösta ämnet eller mellan löst ämne och lösningsmedel. Detta är inte fallet i verkliga lösningar, varför lagen bara gäller approximativt.

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. A. Henriksson, Naturkunskap Kurs B, 1998, Gleerup, Kristianstad.
  2. Y. Lindberg, H. Pilström, E. Wahlström, Kemi för gymnasieskolan, 1984, Natur och kultur, Falköping.
  3. Y. Lindberg, Gymnasieskolans tabeller och formler, 1987, Liber, Kristianstad.
  4. "Vatten" i Nationalencyklopedin, 1996 Bra böcker AB, Höganäs.
  5. Gas Laws, Ohio State University
    http://www.chemistry.ohio-state.edu/betha/nealGasLaw/ (2003-08-15)
  6. Gas Laws, The Shodor Education Foundation, inc. & The University of North Carolina at Chapel Hill
    http://www.shodor.org/unchem/advanced/gas/ (2003-08-15)
  7. Ideal Gas Law, University of Oregon
    http://jersey.uoregon.edu/vlab/Piston/ (2003-08-15)
  8. The Ideal Gas Laws, R.H. Logan
    http://members.aol.com/profchm/gas_laws.html (2003-08-15)
  9. Gases, Chemtutor
    http://www.chemtutor.com/gases.htm (2003-08-15)
  10. Gaser och gaslagar - några demonstrationer, Svante Svensson
    http://vvv.fy.chalmers.se/demo/gaslagar.html (2003-08-15)

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
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

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
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
Salta isen
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

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 brustablett
Kemi i en plastpåse
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
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