Avdunstning och temperatur

Tillhör kategori: aggregationsformer, fysikalisk kemi, jämvikt, urval reviderat experiment

Författare: Svante Åberg   Medverkande: Anneli Olofsson

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

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 2

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Försöket går ut på att undersöka vad som händer med temperaturen när ett ämne avdunstar. Gäller samma temperaturförändringar oavsett vilket ämne som avdunstar? Att vi själva svettas – har det något med avdunstning att göra, och i så fall vad?

Riktlinjer

Experimentet kan genomföras som elevförsök och även i form av grupparbete.

Säkerhet

Försöket kan genomföras med enbart ofarliga vätskor men förtydligas om någon form av lättflyktig vätska användes, t ex. aceton eller T-röd. Att tänka på är då att lättflyktiga vätskor är brandfarliga vätskor.

Överbliven aceton (propanon) och T-röd kan sparas eller spolas ned i avloppet tillsammans med vatten.

T-röd består till 95 % av etanol och 5 % av denatureringsmedel, som gör alkoholen odrickbar. Denatureringsmedlen är metyletylketon, etylacetat och bitrex. Dessutom ingår färgämnen.

Materiel

Förarbete

Inget förarbete

Utförande

Doppa ett finger i varje vätska.
(Kenny sh, CC BY-SA)

Om man använder tre olika vätskor kan man få en direkt jämförelse av dessa genom att doppa den ena handens tre längre fingrar i en varsin vätska.

  1. Häll upp vätskorna i olika bägare.
  2. Doppa ned ett finger i varje bägare.
  3. Vifta lite med handen och känn efter om du känner någon skillnad.

Variation 1

Termometrarna kyls när vätska avdunstar.
Bild: Ó Svante Åberg

Försöket kan genomföras genom att man fäster tygbitar indränkta med de olika vätskorna på termometrar och avläser temperaturförändringar på dessa.

  1. Avläs termometrarna och ev. numrera dem.
  2. Fukta små tyglappar med de olika vätskorna.
  3. Fäst tyglapparna på termometrarna med hjälp av gummisnoddar.
  4. Avläs och anteckna temperaturen med ca 30 sekunders mellanrum.
  5. Rita eventuellt en graf.

Variation 2

Flaskan med den våta bindan blir svalare.
Foto: Ó Svante Åberg
  1. Fyll tre flaskor med vatten (helst rumstempererat).
  2. Avläs vattnets temperatur.
  3. Linda in två av flaskorna med elastisk binda eller tyg av något slag. (Eller använd försvarets filtklädda flaskor om sådana finns tillgängliga.
  4. Låt den ena av de båda inlindade flaskorna bli indränkt med vatten.
  5. Ställ eller häng upp flaskorna på samma ställe eller häng upp dem i ett träd utomhus.
  6. Läs av temperaturen efter 30 minuter.

Anledningen till att tre flaskor användes är för att förtydliga för eleverna att det inte är lindan eller tygstycket som ger temperaturminskning genom skugga eller dylikt, utan att det är vätskan som avdunstar som är avgörande för temperaturen.

OBS! Försöket kräver låg luftfuktighet.

Förklaring

Avdunstning innebär att en vätska blir till gas utan att den kokar. När en vätska avdunstar lämnar de snabbaste molekylerna vätskan, den energi som molekylerna behöver för detta tar de ifrån omgivningen. I vårt fall tar de alltså med sig energi i form av värme från vårt finger i försöket, från tygbiten i variation 1 samt från vattnet inuti flaskan i variation 2.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Fasövergångar

Detta experiment kan användas vid behandling av begreppen fysikalisk respektive kemisk förändring. För att flytande vatten ska ändra form till vattenånga krävs energi, något som gäller för alla ämnen som ändrar form. Ett fast ämne som övergår i vätskefas smältning) eller en vätska som övergår i gasform (förångning, avdunstning) kräver båda energi. På motsvarande sätt så frigörs energi om förhållandena är omvända (kondensation respektive stelning/frysning).

Experimentet

Vattnet i flaskorna avkyls genom att de snabba molekylerna med hög kinetisk energi lämnar beklädnaden runt flaskan. Beklädnaden kyls då ner och genom värmeledning kyls även själva flaskan samt till sist även vattnet inuti flaskan ner. Värme leds alltså från vattnet inuti flaskan till den omgivande luften. Vattnet i flaskan kan hållas kylt så länge som beklädnaden är våt och luftfuktigheten tillräckligt låg för att avdunstning ska kunna ske.

Att kyleffekten är mer märkbar hos exempelvis alkohol (etanol i experimentet) och aceton beror på att dessa ämnen är lättflyktiga och avdunstar mycket snabbt.

Hos vatten håller de starka vätebindningarna samman molekylerna vilket gör att de krävs mycket energi för att förånga vattnet. Visserligen förbrukar varje vattenmolekyl som avdunstar mer värme än en etanolmolekyl, men avdunstningen försvåras av att det krävs mer energi i så stor grad att avdunstningen blir mycket långsammare. Räknat per tidsenhet för därför vattnet bort mindre värme än etanolen.

Molekylerna i matoljan är stora. Även om Londonkrafterna (Van der Waals-bindningar) mellan molekylerna är svaga, så är de utsträckta över hela den stora molekylen så att krafterna sammanlagt blir stora. Det gör att matoljan har ännu svårare än vattnet för att avdunsta och processen blir ännu långsammare. Den blir så långsam att man inte märker någon kyleffekt.

Kroppen svettas för att kyla sig

Även människokroppen nyttjar avdunstning för avkylning. När kroppen blir för varm utsöndrar svettkörtlarna vätska, denna vätska avdunstar och kyler därmed kroppen för att upprätthålla en normal kroppstemperatur. Hundar som endast har svettkörtlar mellan tårna kyler istället kroppen genom avdunstning via munhåla och luftrör. Andra djur som saknar svettkörtlar, exempelvis grisar, rullar sig i lera för att kyla ner kroppen.

Fördjupning

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

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.

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

Relativ luftfuktighet

Den relativa luftfuktigheten styr avdunstning och kondensation

Avdunstning från en vattenyta sker så länge som den relativa luftfuktigheten är lägre än 100 %, vilket innebär att ångtrycket ovanför vätskan är tillräckligt lågt för att de snabba molekylerna ska kunna lämna vätskan. Hur mycket vatten luften kan innehålla beror på temperaturen, ju varmare luft desto mer vatten kan den innehålla. Vattenmolekylerna i varm luft har högre hastighet och kan då studsa ifrån varandra vid kollisionerna istället för att som i kallare luft fastna i varandra och bilda vattendroppar. Luftfuktigheten är alltså maximal (100 %) då maximal mängd vattenånga för den aktuella lufttemperaturen är uppnådd, dvs. luften är mättad.

Meteorologerna brukar tala om den relativa luftfuktigheten, de jämför då den mängd vattenånga som luften innehåller med den maximala mängden som luften vid den aktuella temperaturen kan innehålla. En temperatur av ca 20 °C med en relativ luftfuktighet på 50 - 60 % upplevs av de flesta människor som behagligt. Om den relativa luftfuktigheten är för hög sker kondensation, det vill säga en övergång från vattenånga till flytande vatten, i stället för avdunstning och vi upplever luften som klibbig.

Att mäta relativ luftfuktighet

För att mäta den relativa luftfuktigheten använder meteorologer en anordning av två termometrar, en så kallad psykrometer. Den ena termometern har en fuktad gasbinda fäst runt kulan medan den andra är som vanligt. Då vatten avdunstar från termometern med gasbinda kommer den att visa en lägre temperatur än den torra termometern. Ju större temperaturskillnad som uppmäts mellan de båda termometrarna desto torrare luft är det.

Tabell 1: Luftfuktighet i procent
Temp. torra
termometern
Temperaturskillnad mellan termometrarna
0 °C1 °C2 °C3 °C4 °C5 °C6 °C7 °C8 °C9 °C10 °C
30 °C9791847872666055494440
25 °C9790837669625650443933
20 °C9789817365585144383225
15 °C9788797061534437292215

(Diagram och tabell är hämtade från P-G Andbert och G Mattson, 1994)

Exempel på effekter av den relativa luftfuktigheten

I tabellen ovan kan man avläsa att det vid en temperatur av 20 °C och med en temperaturskillnad på 5 °C är en relativ fuktighet på ca 58 %. Detta innebär att luften kan ta emot nästan dubbelt så mycket vattenånga innan moln eller dimma bildas. Vattendropparna i moln och dimma är mycket små, 0,001 - 0,1 mm, dessa växer till sig då luften stiger. Detta sker eftersom luften kyls ner och vattendropparna kan slå sig samman till större underkylda vattendroppar och kristaller. När sedan dessa blivit tillräckligt stora, cirka 0,5 - 3 mm, kan de falla ur molnet som nederbörd. Om atmosfären är kall med minusgrader även längst ner kommer nederbörden i form av snö och om det är varmt i det lägsta skiktet smälter snöflingorna och vi får regn. Även kall luft med minusgrader innehåller vattenånga, om än i liten mängd. Detta märks av om man vintertid ventilerar hus och verkstäder genom att släppa ut den fuktiga inomhusluften och ersätta den med frisk luft utifrån. Luften upplevs då som mycket torr och obehaglig.

mer material på avancerad nivå kommer

Etanol

Framställning

Etanol Etanolen (etylalkohol, förenklat skrivsätt EtOH) har uråldriga anor som berusningsmedel och den framställdes genom jäsning av kolhydrater från växtriket. Den kemiska reaktionen som sker är:

C6H12O6 C2H5OH + CO2
socker   etanol   koldioxid

Dessutom behövs en katalysator i form av jäst. Det är ett enzym hos jästsvampen som omvandlar kolhydraterna till etanol. Jästsvampen kan bara överleva i en alkoholhalt på ca 13 %, därefter dör den och jäsprocessen upphör. För att få högre alkoholhalt krävs att man destillerar alkoholen.

Detta var innan den petrokemiska industrin fanns. Idag framställs etanol för industriellt bruk genom hydrering av eten (kallas ibland etylen). Den kemiska reaktionen äger rum med hjälp av en katalysator och är:

H2C=CH2 + H2O C2H5OH
eten   vatten   etanol

Egenskaper

Kokpunkten för etanol är 78 C och fryspunkten -114 C. Den låga fryspunkten gör etanolen lämplig att använda i termometrar. För bättre synlighet färgas den vanligen röd eller blå. Förr användes kvicksilvertermometrar, men de förbjöds av av miljöskäl.

Etanol är lättantändlig och brinner med en blå låga om syretillförseln är god. Flampunkten för ren etanol är 16,6 C. Det innebär att vid temperaturer över 16,6 C bildas det tillräckligt med etanolångor ovanför vätskan för att de ska vara antändbara, förutsatt att ångorna inte ventileras bort. Under denna temperatur kan ångorna inte antändas eftersom koncentrationen av etanolångor är för låg.

I vatten-etanolblandningar är volymen mindre än samma mängd vatten och etanol separat. Det beror på att vatten har ett inslag av struktur även i flytande form som beror på vattenmolekylens vinkel och hur vattenmolekylerna binder till varandra med vätebindningar. Strukturen är då hexagonal, på motsvarande sätt som i snökristaller. Denna struktur är lucker. När etanol blandas med vatten fyller etanolmolekylerna delvis ut det tomrum som finns i vattnet och därför är blandningen mer kompakt än vattnet är enskilt.

Etanol som lösningsmedel

Etanol är vattenlöslig i alla blandningsförhållanden. Den vattenlösliga delen är OH-gruppen som bildar vätebindning till vatten. Den icke vattenlösliga kolvätekedjan med två kolatomer är för kort för att påverka lösligheten i vatten.

Som lösningsmedel kan man dock se skillnad på etanol och metanol. Den något längre kolvätekedjan i etanol med 2 kolatomer i jämförelse med metanolens enda kolatom gör etanolen till ett sämre lösningsmedel för salter. Å andra sidan är etanol bättre lösningsmedel än metanol för feta ämnen, vilket man märker vid fläckborttagning.

Etanol används som lösningsmedel i många sammanhang. Ett exempel är munskölj. Den finns i vattenbaserade färger, rengöringsmedel, i läkemedel, lacker och bläck.

Berusningsmedel

Etanolen, eller "alkoholen", har använts som berusningsmedel sedan mycket länge tillbaka. Etanol bildas naturligt i jäsningsprocesser, t.ex. då frukt blir gammal. Man kunde därför oavsiktligt bli berusad av fermenterad mat. Det är välkänt att alkoholen försämrar omdömet och reaktionsförmågan, men den kan även vara avslappnande.

Benämningen "alkohol" är egentligen ett begrepp som täcker in alla kolväten som har en eller flera OH-grupper. Exempelvis är också träsprit (metanol) en alkohol. Men i dagligt tal brukar man mena etanol när man talar om alkohol.

Medicinska effekter

I kroppen oxideras etanolen till acetaldehyd. Det är ett skadligt ämne som orsakar illamående, så kallad "bakfylla". Acetaldehyden oxideras sedan vidare till etansyra (dvs. ättiksyra) med hjälp av ett enzym.

Etanolen är beroendeframkallande. Långvarigt bruk leder till många allvarliga medicinska tillstånd. Bland de mer kända är skrumplever som innebär att levervävnaden bryts ned och omvandlas till bindväv. Allt större delar av levern dör, blir hård och skrumpnar sedan. En annan känd effekt av långvarigt bruk är hallucinationer och psykiska problem såsom delirium tremens. Ytterligare medicinska problem som förekommer är bland annat högt blodtryck, depression, impotens och strupcancer.

Etanol som fordonsbränsle

Etanolen har samma brandklass som bensinen. En nackdel är att etanol inte förångas lika lätt som bensin i låga temperaturer, och det gör den svår att använda på breddgrader med mycket kallt klimat. Etanol används dock som fordonsbränsle med benämningen E85. Den innehåller 85 % etanol och 15 % bensin sommartid. Vintertid då etanolens begränsade flyktighet kan vara ett problem är proportionerna 75 % etanol och 25 % bensin.

Eftersom etanolen har ett lägre energiinnehåll vid förbränning än bensin är också etanolbilarna törstigare. En fördel med etanol är dock att den kan framställas ur biomassa. Om det kan ske utan att produktionen i övrigt förbrukar stora mängder fossila bränslen, t.ex. för traktorer och transporter inom jordbruket, så kan nettoutsläppet av koldioxid minskas genom att använda etanol som bränsle. De stora koldioxidutsläppen är ju ett allvarligt problem som orsakar global uppvärmning med ekonomiska påfrestningar och social oro när människors levebröd försvinner.

Etanol som industriråvara

Etanol används främst vid framställning av etanal och som lösningsmedel.

Den tekniskt framställda etanolen görs odrickbar genom denaturering. Rödsprit, ofta kallad T-röd, består vanligtvis till 95% av etanol och 5% av denatureringsmedel, som gör alkoholen odrickbar. Exempel på denatureringsmedel är isopropanol, etylacetat, metyletylketon, metylisobutyl-keton, dietylftalat, butylacetat, butanol, Bitrex®, toluen. Dessutom ingår färgämnen.

Destillation

När en blandning av etanol och vatten förångas är etanolen betydlig mer lättflyktig än vattnet. Det medför att halten etanol är mycket högre i ångorna som bildas än i etanollösningen. Detta är principen för uppkoncentrering med hjälp av destillation. Ångorna måste sedan kylas för att man ska få tillbaka dem i vätskeform, men då med högre etanolhalt. Det är dock förbjudet enligt lag att destillera etanol privat.

Destillationen av alkoholen kan utföras i flera omgångar eller med avancerad destillationsapparatur för att maximera etanolhalten. Det är dock i princip omöjligt att uppnå en högre etanolhalt än 96 %. Etanol-vattenblandningen har en azeotrop vid 96 % etanol. Om man skulle försöka destillera en etanollösning med högre halt än 96 % skulle den i stället bli mindre koncentrerad eftersom ångorna som avges är rikare på vatten än etanol ovanför punkten för azeotropen.

mer material på avancerad nivå kommer

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.

Litteratur

  1. Pot-in-pot refrigerator, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Pot-in-pot_refrigerator (2017-08-24)
  2. Luftfuktighet, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Luftfuktighet (2015-10-02)
  3. Luftfuktighet, SMHI
    https://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/luftfuktighet-1.3910 (2017-08-24)
  4. Evaporation, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Evaporation (2017-08-24)
  5. Evaporation vs Boiling, Hyper Physics
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/vappre.html#c3 (2016-03-11)
  6. Humidity Calculator, Australian Government, Bureau of Meteorology
    http://www.bom.gov.au/lam/humiditycalc.shtml (2017-08-24)
  7. Dewpoint Calculator, Wolfgang Kühn
    http://www.decatur.de/javascript/dew/index.html (2017-08-24)
  8. Steam Table Generator, Wolfgang Kühn
    http://www.decatur.de/javascript/dew/tables.html (2017-08-24)
  9. Effects of high altitude on humans, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Effects_of_high_altitude_on_humans (2017-08-24)
  10. Evaporative cooling explained (YouTube), Stephen Hill, YouTube
    https://www.youtube.com/watch?v=pyV4LhTsrwQ (2017-08-24)
  11. Evaporative Cooling - Science behind the dippy bird (YouTube), Mbibe Labs, Indian Institute och Science, YouTube
    https://www.youtube.com/watch?v=nyczz9NsFgs (2017-08-24)
  12. Dipping Bird Experiments (YouTube), Sixty Symbols, YouTube
    https://www.youtube.com/watch?v=c-0-zH4Ip7w (2017-08-24)

Fler experiment


aggregationsformer
Badbomber
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den tillknycklade plåtburken
En märklig planta
Ett glas luft
Exempelfil_Försvinnande bläck (Erik Lövbom)
Fryspunktsnedsättning
Förtenning
Gore-Tex, materialet som andas
Gör ditt eget läppcerat
Gör ett avtryck från papper till stearin
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur kan man göra kläder av plast?
Hur mycket vatten finns i maten?
Kemi i en brustablett
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Lödtenn 60
Molnet i flaskan
Myggmedel - hur funkar det?
Osynlig gas
Platta yoghurtburkar
Popcorn
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
Bestäm CMC för diskmedel
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Blandningar av lösningsmedel
Blå himmel och röd solnedgång
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den tillknycklade plåtburken
Den tunga koldioxiden
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Diska med äggula
En märklig planta
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Ett glas luft
Ett lysande experiment - Kemiluminiscens
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Flaskor mun mot mun
Flyter isen i matoljan?
Frigolit i aceton
Fryspunktsnedsättning
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gelégodis i vatten
Gore-Tex, materialet som andas
Gummi och lösningsmedel
Gummibandets elasticitet
Gör ett avtryck från papper till stearin
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur mycket vatten finns i maten?
Håller bubblan?
Identifiera plasten
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Klorofyllets röda fluorescens
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Ljuset under glaset
Lödtenn 60
Löslighet och pH - En extraktion
Maizena gör motstånd
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Molnet i flaskan
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
När 1 plus 1 inte är 2
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Osynlig gas
pH i kokt mineralvatten
Platta yoghurtburkar
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?
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
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Luftfuktighet och rostbildning
Löslighet och pH - En extraktion
Maskrosen som krullar sig
Massverkans lag och trijodidjämvikten
Molnet i flaskan
När flyter potatisen?
Osmos i potatis
pH i kokt mineralvatten
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Reaktionshastighet med permanganat
Saltat islyft
Superabsorbenter i blöjor
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför äter vi Samarin?
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

urval reviderat experiment
Anodisering och färgning av aluminium
Citronbatteri
Den brinnande sedeln
Den tillknycklade plåtburken
DNA ur kiwi
Elektrokemisk skrift
Ett glas luft
Gasvolym och temperatur
Indikatorpapper för plus och minus på batteriet
Innehåller koksaltet jod?
Luftfuktighet och rostbildning
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Rostindikator visar var järnet rostar
Syrehalten i luft
Tag bort rost med elektrisk ström
Testa C-vitamin i maten
Vad händer när degen jäser?
Åka hiss