Bensinbrand

Tillhör kategori: förbränning, säkerhet

Författare: Anneli Olofsson

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

Brandfarligt Irriterande 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Fara vid felaktigt utförande

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Experimentet är i första hand tänkt att användas för att skildra riskerna med öppen eld eller glöd på bensinstationer.

Riktlinjer

Försöket genomförs som ett demonstrationsförsök med efterföljande diskussion där man kan spegla följderna av en liknande händelse på en bensinstation.

Säkerhet

För att undvika gifterna i vanlig bensin kan man använda rengöringsbensin som finns i våra vanliga butiker. Man bör även tillse att bensinflaskan är försluten och förvarad i säkerhet vid genomförandet av experimentet. Dessutom ska man ha brandsläckare inom räckhåll samt se till så att långt hår är uppsatt. Var beredd på den explosiva antändningen av bensinångorna när man tömmer ned vatten så att du inte blir överrumplad och tappar den tomma vattenbägaren eller dylikt. Se till så att inget brännbart material finns ovanför eller runt omkring bägaren eftersom bensinen kan brinna med stora, höga lågor. Använd helst bägare med jämn kant så att elden kan kvävas om fara uppstår. Bensinmängden skall dock vara så liten att den kan brinna upp utan allt för stor värmeavgivning.

Om all bensin får brinna upp behöver inget avfall tas tillvara om en släckning sker kan man låta den kvarvarande mängden avdunsta i dragskåp.

Materiel

Förarbete

Inget förarbete

Utförande

  1. Slå i 5 ml bensin i den ena 1000 ml bägaren och lägg över ett täckglas.
  2. Ställ ett tänt värmeljus nedanför bensinbägaren.
  3. Fyll den andra bägaren ända upp med vatten.
  4. När bensinen förångats tar man av täckglaset på bensinbägaren och tömmer ned vatten tills bensinångorna, som är tyngre än luft, rinner över (vid cirka 2/3 av bägarens volym).
  5. Bensinångorna antänds och flammar upp.

OBS! försöket kan utföras med ett häftigare förlopp genom att man värmer bägaren först för att påskynda ångbildningen. Om man väljer att värma bägaren så utför man försöket enligt följande:

  1. Värm en tom 1000 ml bägare över brännaren och tag sedan bort brännaren.
  2. Slå i 5 ml bensin i den heta bägaren och lägg ett täckglas över.
  3. Placera ett brinnande värmeljus nedanför bägaren.
  4. Fyll den andra bägaren med vatten.
  5. Häll vatten i bensinbägaren tills bensinångorna rinner över och flammar upp (vid cirka 2/3 av bägarens volym).
Bensinångorna som rinner över kanten antänds av ljuset och leder elden till bensinen i bägaren.
Foto: © Svante Åberg

Variation

Man kan även låta bensinångor rinna nedför en plåtränna och antändas av ett ljus nedanför. Placera plåtrännan med en lutning av 45 °C på ett bord. Tag sedan en bomullstuss indränkt i bensin och lägg den i övre delen av rännan. Nedanför rännan placeras ett tänt värmeljus. Bensinångorna som är tyngre än luft rinner ned till värmeljuset och antänds.

Förklaring

Bensinångan, som bildas redan vid -30 °C, är mycket brännbar och eftersom den är tyngre än luft så rinner den över kanten på bägaren när den fylls med vatten. Ångorna rinner då ned till värmeljuset nedanför och antänds.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Fossila bränslen

Fossila bränslen är rester av döda djur och växter som levde för ca 300 miljoner år sedan. Djur och växter som dog begravdes i stora sumpmarker och grunda sjöar och täcktes där av sand och lera som förhindrade tillförsel av luft. Detta förhindrade en normal förmultning och efter hand som sand- och lerlagret växte så ökade trycket på växt- och djurresterna och kol bildades. Olja och naturgas har bildats på samma sätt fast mesta dels av växter och smådjur som levde i haven. Olja finns idag lång ner i berggrunden i de porösa bergarternas håligheter. Naturgas finns samlad inuti täta håligheter som formar gasfickor.

Olja


Bensen

Råolja, petroleum, består av en blandning av organiska föreningar av vilka de flesta är alkaner och aromatiska kolväten. Alkaner är föreningar där alla kol-kol bindningar är enkelbindningar, de finns i olika sammansättningar från det enklaste metan (CH4) till kolväten med flera hundra kolatomer. Aromatiska kolväten har fått sitt namn eftersom många ämnen i gruppen har en aromatisk lukt. Idag kännetecknas dock aromaterna av att de innehåller minst en bensenring med kol-kol bindningar som är kortare än enkelbindningar men längre än dubbelbindningarna mellan två kol. Detta medför att elektronerna är delokaliserade över bensenringen vilket är något som stabiliserar den. Förutom kol och väte förekommer det även mindre mängder av syre, kväve och svavel i petroleumprodukterna.

När råoljan har pumpats upp ur berggrunden måste den till ett raffinaderi för att behandlas innan den kan användas som bränsle, olja eller råvara inom den kemiska industrin. Behandlingen medför att man separerar de olika kolvätena åt genom destillation. Detta kallas fraktionering och sker i ett torn där kolväten med olika kokpunkter skiljs åt vid olika temperaturer och leds ut på olika höjder av tornet.

Högst temperatur är det i botten av tornet och där utvinns de största kolväteföreningarna (C31 - C40) vilka används till bland annat smörjoljor. Ju högre upp i tornet man kommer desto mindre molmassa och lägre kokpunkt har kolvätena som kondenserar. De minsta kolvätena lämnar tornet i form av gas vid temperaturer ner mot 30°C.

Det enklaste kolvätet är metan (CH4) vilket har en smältpunkt på -182 °C och en kokpunkt på -161 °C, metan förekommer därmed som gas i rumstemperatur vid normalt tryck (760 mmHG = 101,3 kPa). Även etan (C2H5), propan (C3H8) och butan (C4H10) förekommer som gaser i rumstemperatur och normalt tryck. En blandning av de båda gaserna propan och butan kallas gasol.


Tabell 1

Fraktionens kokpunkt (°C)Antal kolatomer per molekylAnvändningsområde
Under 20C1-C4Naturgas, gasol, petrokemisk industri
20 - 60C5-C6Petroleumeter, lösningsmedel
60 - 100C6-C7Ligroin, lösningsmedel
40 - 200C5-C10Bensin
175 - 325C12-C18Fotogen, jetbränsle
250 - 400C12 och högreDieselolja, eldningsolja
Ej flyktiga vätskorC20 och högreSmörjolja
Ej flyktiga fasta ämnenC20 och högreParaffin, asfalt

Bensin

De kolväten som vi kallar bensin består av en blandning av kolväten med mellan fem och tio kolatomer. Fraktionerna som utvinns ur petroleum genom destillation innehåller föreningar med olika antal kolatomer eftersom det är näst intill omöjligt samt ekonomiskt ohållbart att få till stånd en total separation av ämnena. Mer än 500 olika kolväteföreningar ingår i destillat med kokpunkt under 200 °C och många av dessa har väldigt närliggande kokpunkter. Detta medför att fraktionerna som man får vid destilleringen innehåller en blandning av alkaner med liknande kokpunkter.

Efterfrågan på bensin är mycket större än den mängd som utvinns vid fraktionerning av petroleum och dessutom så har den bensinen ett för lågt oktantal för att passa moderna motorer. Bensinen vidarebehandlas därför genom alkylering, isomerisering och så kallad krackning. För att få igång dessa processer behövs katalysatorer som till exempel platina, svavelsyra och vätefluorid.

Vid alkylering slås mindre kolväten samman till större molekyler, detta sker oftast genom att en omättad molekyl slås samman med en mättad. En omättad kolvätemolekyl har dubbel- eller trippelbindningar mellan två kol. Molekyler med dubbelbindning kallas alkener och föreningarna har ändelsen -en, ex eten C2H4. Om det finns två dubbelbindningar inom samma molekyl kallas de för alkadiener och har ändelsen -dien, ex 1,2-butadien. Föreningar med trippelbindningar kallas alkyner och ges ändelsen -yn, ex etyn. Dubbel- respektive trippelbindingen ger totalt en högre bindningsenergi mellan de två kolen i molekylen om man jämför med en enkelbindning. Men alkanerna är ändock stabilare än alkener och alkyner eftersom det krävs mer energi för att bryta enkelbindningen i exempelvis etan, än för att bryta den ena av dubbelbindningarna i eten (tab.2).

Vid isomerisering omvandlas ogrenade kolvätekedjor till grenade för att uppnå ett högre oktantal. Vid krackning som är den vanligaste formen av vidarebehandling, för att få bensin, så slås stora molekyler sönder till mindre. Detta sker genom att man upphettar kolväten (C12 eller högre) till ungefär 500°C. Om katalysatorer finns närvarande så faller molekylerna sönder och omvandlas till mindre och mer grenade alkaner, denna process kallas katalytisk krackning. Om det inte finns någon katalysator närvarande, sk. termisk krackning, så faller de stora molekylerna sönder till ogrenade alkankedjor vilka har lägre oktantal än grenade kedjor.

Tabell 2. Jämförelser mellan enkel- dubbel och trippelbindningar

BindningstypAvstånd mellan kolatomerna (nm)Bindningsenergi (kJ/mol)
0,154346
0,134610 (346 +264)
0,121835 (346 +264 +225)

Isomerer

Molekyler med samma antal kolatomer men med olika typer av förgreningar sägs vara isomerer till varandra. Det finns till exempel två olika föreningar med molekylformlen C4H10, butan och isobutan. Dessa har samma molkylformel men olika strukturformler. De skiljer sig även åt vad gäller fysikaliska egenskaper som smältpunkt, kokpunkt och densitet (tab.3). Kolväten med grenade kedjor har oftast lägre smält- och kokpunkt på grund av mindre area vilket i sin tur medför svagare van der Waalsbindningar. Det finns två isomerer av butan, tre isomerer av pentan det vill säga ju fler kol som ingår i föreningen desto fler isomerer kan man finna (tab.4).

Tabell 3. Fysikaliska egenskaper hos butan, pentan och hexan isomerer

MolekylformelStrukturformelSmältpunkt (°C)Kokpunkt (°C) **Densitet (g/mL)*
C4H10-138,3-0,50,612 0°C
C4H10-159-120,603 0°C
C5H12-129,72360,6262
C5H12-16027,90,6197
C5H12-209,50,61350
C6H14-95680,65937
C6H14-153,6760,30,6532
C6H14-11863,30,6643
C6H14-128,8580,6616
C6H14-9849,70,6492
*Densitet vid 20°C om inte annat anges
**Kokpunkt vid 760 mmHg

Tabell 4. Antal isomerer hos alkaner

MolekylformelMöjligt antal isomerer
C4H102
C5H123
C6H145
C7H169
C8H1818
C9H2035
C10H2275
C15H324 347
C20H42366 319
C30H624 111 846 763
C40H8262 481 801 147 341

Oktantal

Den grenade föreningen 2,2,4-trimetylpentan, även kallad isooktan, förbränns väldigt lugnt (utan knackning) i moderna förbränningsmotorer och det används därför som mått för att ange kvaliteten på bensin i form av oktantal. 2,2,4-trimetylpentan ges oktantal 100 medan heptan CH3(CH2)5CH3, vilket förorsakar mycket knackning i förbränningsmotorerna, ges oktantal 0. Blandningar av dessa två kolväten används som standardmått för att klassificera bensin, dvs. bensin som har samma karaktär (knackar) som en blandning av 95% 2,2,4-trimetylpentan och 5% heptan benämns som 95-oktanig bensin.

Förbränning av kolväten

Vid fullständig förbränning av rena kolväten bildas koldioxid och vatten samtidigt som det frigörs energi. Den ökade koldioxidhalten i luften, som förbränningen av kolväten medför, bidrar till växthuseffekten. Om syretillförseln är begränsad vid förbränningen bildas kolmonoxid, vilket är en mycket giftig gas, i stället för koldioxid. Hos människor som inandas kolmonoxid binder kolmonoxidet till blodets hemoglobin i stället för syre. Detta kan leda till döden eftersom cellerna drabbas av syrebrist (kvävning) och därmed slutar fungera.

Eftersom petroleumprodukter även innehåller syre, kväve, svavel samt giftiga tungmetaller som kadmium och kvicksilver så frigörs även föroreningar som på andra sätt är skadligt för både djur och växter. Exempel på sådana är utsläpp av kväve- och svaveloxider som bidrar till ökad försurning vilket i sin tur innebär ökad utsöndring av markens bundna metaller. De tungmetaller som frigörs tas upp av djur och människor och kan leda till skador på bland annat hjärnan och centrala nervsystemet. Bensen, som är mycket carcinogent, kan också frigöras vid ofullständig förbräning av kolväten.

Reaktionsformel vid fullständig förbränning av pentan:
C5H12 + 16O2 → 5CO2 + 6H2O

Brännbarhet

För att ett ämne ska ta eld så måste det uppfylla tre kriterier; ämnet i sig ska vara brännbart, det måste finnas tillgång till syre och det måste vara tillräckligt varmt. Bensin består av kol och väte vilka båda är mycket lättantändliga ämnen. Bensin har dessutom en flampunkt på ca -40 °C, vilket innebär att det är den lägsta temperatur som vätskan ger ifrån sig lättantändlig gas (tab.5). Alla vätskor med flampunkt under normal rumstemperatur är mycket brandfarliga. Dessutom blir tillgången till syre stor då de små gasmolekylerna blandar sig med luftens syre. Vid släckning av bensinbränder ska man aldrig använda vatten eftersom det kan förorsaka att elden sprider sig genom att bensindroppar som inte är vattenlösliga stänker ut. Elden ska i stället kvävas, om brandhärden är liten så kan man kväva den med en filt. Om det är en större brand så kan man använda skum- eller pulversläckare vilka också verkar kvävande på elden.

Tabell 5. Flampunkter för några vätskor

VätskaFlampunkt (°C)
Dietyleter-45
Bensin-40
Aceton-19
Metanol12
Etanol (95 %), T-röd13
T-blå (etanol, 2-propanol, mm)15
T-gul (n-paraffiner)70

När man tittar i lutteraturen förekommer olika uppgifter om flampunkterna. Det beror på att flampunkter kan mätas på lite olika sätt. Man kan mäta med "öppen bägare" eller "sluten bägare". Dessutom är vissa vätskor blandningar med varierande sammansättning. Detta gäller t.ex. bensin och denaturerad etanol.

Tabell 6. Brandfarliga vätskor klassas efter sin flampunkt

BrandfarlighetFlampunkt (°C)Exempel
Klass 1:< 21bensin, thinner
Klass 2:21 - 55fotogen, lacknafta
Klass 3:55 - 100diesel, eldningsolja

Bensin och etanol som motorbränsle

Numera har man en cirka 5%-ig inblandning av etanol i bensinen. Dessutom finns ett bränsle som kallas E85 som används i etanolbilar. Det innehåller 85 % etanol och 15 % bensin. Man kunde tro att bensin är farligare än etanol vad gäller brandrisker eftersom bensin är flyktigare. Det är emellertid så att för feta bränsleblandningar inte brinner eftersom det blir syrebrist. Bensin har ett brännbarhetsområde mellan cirka 1,4 - 7,6 volym-% bensin i luften. Det motsvarar temperaturområdet cirka -40 °C till -10 °C, beroende på bensinkvalitet. I sommarvärmen, då temperaturen är långt över -10 °C, så är alltså halten bensinångor mer än 7,6 % i tanken. Men på vintern när temperaturen understiger -10 °C, så är bensin-luftblandningen i tanken explosiv. Eftersom etanol inte är lika flyktigt är flampunkten högre och man ligger inom brännbarhetsområdet vid högre temperaturer. E85 är explosiv mellan -35 °C och +30 °C.

Fördjupning

Brand

Med brand menas ofta eld som man tappat kontrollen över, åtminstone delvis. Ett gammalt talesätt är att ”elden är en god tjänare, men en sträng herre”. Risken för eldsvåda var mer näraliggande förr i tiden när husen var timrade, taken var täckta med träspån och man eldade i spisen för att laga mat och få värme. Små misstag, som att en gnista hamnade på fel ställe där den kunde starta en eld, kunde lätt ske.

Numera är riskerna för bränder mindre, men bränder orsakar fortfarande stora skador och tar ibland liv. Enligt statistik är de vanligaste orsakerna till brand i bostaden elfel, levande ljus, rökning, och köksspisen. Slarv och misstag ligger bakom flertalet bränder, men också bristande underhåll av till exempel elektrisk utrustning eller utebliven sotning av skorstenar.

Förutsättningar för brand illustreras av brandtriangeln


Brandtriangeln anger vad som krävs för brand.
"Fire triangle" av Gustavb" CC BY-SA 3.0

Eld är en kemisk reaktion där brännbara gaser reagerar med luftens syre under stark värmeutveckling. Vi ska titta närmare på vad som krävs för att underhålla en brand. En symbolisk figur som beskriver detta är den så kallade brandtriangeln. Om alla tre sidorna i triangeln föreligger, så är brand möjlig.

Det som behövs är: bränsle, syre, värme.

Bränsle

Bränsle är sådant som kan reagera med oxidationsmedel, såsom luftens syre.

Bränslet är nästan alltid organiskt material som har bildats med hjälp av fotosyntesen. Energin i solstrålningen har på så sätt lagrats i biomassan.

Ved är ett exempel på bränsle som bildas kontinuerligt i våra skogar. Kol, olja och naturgas är fossila bränslen som en gång i tiden var ved, blad och döda djur som gömdes under sediment och så småningom under årmiljonerna omvandlades till sin nuvarande form. De fossila bränslena skapades också genom fotosyntesen, vare sig de kommer från växter eller djur. Djuren fick ju sin energi genom att äta av växterna.

I princip kan även metaller vara bränslen, men det är ovanligt. Aluminium eller magnesium i är dock mycket brandfarligt om man väl fått eld på det. I solida block antänds metallen inte så lätt, men i pulverform kan branden bli explosionsartad.

Om det saknas bränsle, så kan det inte brinna. Stoppar du inte in fler vedträn i brasan, så kommer veden att ta slut och elden slockna, även om eldstaden är tillräckligt het och det är god syretillförsel.

Syre

Syret har förmågan att oxidera bränslet. Elden är alltså en redoxreaktion där syret är oxidationsmedel och bränslet reduktionsmedel. Även andra oxidationsmedel än syre kan underhålla förbränning. Till exempel kan man lika gärna elda i klorgas som i syrgas. Men syret finns ju överallt i luften, så i praktiken är det syret vi talar om när vi pratar om brand.

När syret reagerar med bränslet så sker en förbränning, vilket innebär att kol och syre bildar koldioxid och väteatomer i bränslet reagerar med syre till vatten. Har vi ett "rent" bränsle, så blir reaktionsprodukterna bara koldioxid och vatten. Förbränningsreaktionen är exoterm, dvs. avger värmeenergi. Kvar blir reaktionsprodukterna koldioxid och vatten, som är energifattiga.

Det krävs en kontinuerlig syretillförsel för att branden ska fortsätta. Om man täcker över elden, så kommer syret inte åt. Då slocknar elden. Vill man i stället få igång elden, så kan man blåsa på den. Den ökade syretillförseln ökar på reaktionshastigheten. Den ökade reaktionen ger kraftigare värmeutveckling och elden flammar upp.

Det är också den ökade syretillförseln som gör att brandrisken är mycket större när det blåser. Det handlar inte bara om att gnistor kan flyga med vinden och antända nytt bränsle, utan också om att värmeutvecklingen blir mycket kraftigare.

Värme

En låga kräver att bränslet är i gasform.

Om bränslet är t.ex. acetylen, så är det i gasform redan från början. I en acetylensvets blandas gas från acetylentuben med syret från syrgastuben i svetsmunstycket. Bränslemolekylerna och syrgasmolekylerna måste komma i kontakt med varandra för att reagera. I gasblandningen är denna kontakt mycket effektiv. Därför kan acetylensvetsen brinna med mycket hög temperatur.

Om bränslet är t.ex. ved, så måste veden förångas till gaser innan den kan börja brinna. Man kunde tänka sig att ett vedträ skulle kunna brinna på ytan där träet har kontakt med luften, men det blir för lite fart på reaktionen för att den ska kunna hålla igång.

Kraftig hetta får veden att sönderdelas och brytas ned till brännbara gaser. Denna process kallas för pyrolys. Om man lyckats få igång en brasa, så utvecklas tillräckligt med värme vid förbränningen för att ytterligare ved ska pyrolyseras och avge brännbara gaser. På så sätt kan elden fortsätta brinna.

Kedjereaktion

Om det finns mycket bränsle, god syretillförsel och bränslet är både torrt och finfördelat, så som det kan vara efter torka i en skog med mycket kvistar och barr, så kan brandutvecklingen bli nästan explosionsartad. Värmeutvecklingen blir så hög att inte bara bränslet närmast veden antänds, utan även brännbart material på avstånd tar eld.

I en lägenhet kan också hettan blir så stor att lägenheten plötsligt övertänds och branden blir explosionsartad. Det har att göra med den starka värmeutvecklingen som ökar på bildningen av brännbara gaser, som i sin tur ökar på värmeutvecklingen i en kedjereaktion. Det var erfarenheter av sådana bränder som gjorde att man beskrev elden som "en sträng herre".

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.

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.

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

Litteratur

  1. G. Solomons, Organic chemistry, 1996, Wiley, USA. (ISBN 0-471-01342-0)
  2. Yngve Lindberg, Kemi för gymnasieskolan, 1992, Natur och kultur, Stockholm.
  3. Benzene Tutorial, Organic Chemistry Help, Frostburg State University
    http://www.chemhelper.com/benzenetutorial.html (2003-08-17)

Fler experiment


förbränning
Bränna papper
Den brinnande sedeln
Eld - varför brinner det?
Elda stålull
Eldprovet
Karbidlampan
Ljuset under glaset
Pulversläckare
Självantändning med glycerol och permanganat
Släcka fett på rätt sätt
Tillverka tomtebloss
Tänd ett släckt ljus med hjälp av röken
Vad händer då något brinner?
Värma med ljus - bra eller dåligt?

säkerhet
Pulversläckare
Släcka fett på rätt sätt
Tillverka tomtebloss
Varför skyddsglasögon?