Kristallodling

Tillhör kategori: aggregationsformer, fysikalisk kemi, jämvikt, kemisk struktur

Författare: Anette Rönnlund

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

Irriterande 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 30 minuter

Antal tillfällen: 3

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

De flesta barn är fascinerade av kristaller. De är både vackra att titta på och omges av mycket mystik. Vem har inte hört talas om spågumman som ser framtiden i sin kristallkula. I det här experimentet får eleverna själva göra sina kristaller med en enkel metod. De får se hur ett fast ämne går i lösning för att sedan åter bli fast då vätskan avdunstar - det bildas kristaller.

Riktlinjer

Experimenten kan med fördel användas som gruppförsök. Eleverna får då fördela ansvaret att sköta om kristallen så att alla kan få bidra till dess tillväxt. Experimentet kan även göras individuellt men då blir det ett tuffare jobb för läraren att assistera eleverna vid den första delen av experimentet, då man ska lösa saltet. Experimentet behandlar löslighet, avdunstning, vätska-fast ämne-gas. Experimentet passar för elever i alla åldrar. Man kan gå in mer på teorin bakom i de högre årskurserna.

Säkerhet

Alun: Oblandad alun irriterar ögon, slemhinnor och hud vid direktkontakt. Kan vara farligt vid förtäring.

Du kan hälla ut eventuella rester av saltlösningen i slasken.

Materiel

Förarbete

Köp alun (apoteket, hemarbetsaffär eller färghandel).

Utförande

Vilken mängd Alun som ska lösas i vatten är beroende på hur stor kristall som man tänker odla. Alunet ska lösas i vatten till lösningen blir mättad, dvs inget mer alun går att lösa.

Nu är det bara att låta tiden gå och regelbundet vårda kristallen genom att plocka bort onödiga kristaller, se till att bägaren är ren och att kristallen är under ytan. Om du har tur kommer du efter några veckor ha en stor kristall som du kan lägga i bokhyllan.

Variation 1

Börja med att odla en kristall på en lösning med kromalun, KCr(SO4)2·12 H2O, kristallen får en vacker mörkviolett färg. Tyvärr faller den sönder i rumstemperatur. För att förhindra detta flyttar du över din mörkvioletta kristall till en mättad alunlösning istället. Det kommer nu att kristalliseras ett skyddande genomskinligt lager på den blå kristallen. Den färdiga kristallen kan förvaras i rumstemperatur.

Observera! Krom(III)salter är hälsofarliga och bör hanteras med försiktighet. Undvik kontakt med huden och spill på bänkar och kläder. Tvätta rent om du spillt. Krom(III)salter hanteras tidigast i åk 6 i grundskolan enligt arbetsmiljöverkets regler.

Variation 2

Går det att odla kristaller med andra saker än alun? Testa med koksalt (NaCl), socker.

Variation 3

Om du är otålig kan du skynda på kristallisationen genom att blanda i några droppar etanol i saltlösningen. Etanolen minskar lösligheten hos saltet genom att sänka polariteten hos lösningsmedlet. Men tillsätt inte för mycket etanol! Då går kristallbildningen alltför snabbt och kristallerna blir inte lika regelbundna.

Förklaring

Man löser saltet till lösningen blir mättad, dvs inget mer alun kan lösas utan att det stannar kvar på bottnen. I lösningen finns nu alunmolekylerna. När en molekyl träffar på en annan så gör dragningskraften mellan dom att de kanske fastnar vid varandra. Fler och fler molekyler binds ihop. Kristallisationen har startat. När vattnet avdunstar så blir utrymmet mindre för alunmolekylerna. De möts oftare - kristallen växer.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Alunkristall odlad enligt experimentet.
Infälld är samma kristall ur en annan
synvinkel med förtydligade kristallkanter.

Foto: © Svante Åberg, Umeå Universitet
En kristall är en solid massa som består av atomer, joner eller molekyler som är arrangerade i ett enhetligt mönster. Detta ger kristallen en specifik form, färg eller andra karakteristiska egenskaper. Diamant och grafit (blyerts) är två exempel på kristaller som båda är uppbyggda av grundämnet kol men på grund av den olika uppbyggnaden så är de mycket olika.

Omkristallisation är en metod som används för att rena/förädla fast material genom att lösa det i en vätska och sedan låta vätskan avdunsta så att materialet kristalliseras. Beroende på tillvägagångssättet kan man få fram många små eller enskilda stora kristaller.

Det finns olika typer av kristaller. Beroende på hur de kemiska bindningarna sitter och alltså kristallens form. Det finns sju olika typer av kristallformer. Exempelvis kubiska, tetragonala och hexagonala. Man kan även kategorisera kristaller efter deras kemiska egenskaper.

Det finns kristaller både framställda på konstgjord väg och i naturligt tillstånd ex. mineralerna kvarts, diamant och korund (korund förekommer i varianterna safir och rubin). Även snöflingan är en typ av kristall - en iskristall.

Habitus

Olika kristallplan i atomgittret.
Bild: Ó Svante Åberg, Umeå Universitet
Kristallerna kan anta olika former, habitus. Vilken form kristallen får beror på hur snabbt de olika kristallytorna tillväxer i förhållande till varandra. Kristallytorna kan ses som snittytor som kan dras på olika sätt genom kristallgittret. Alun tillhör det kubiska kristallsystemet och dess habitus är formen av en oktaeder.
Exempel på kristaller ur det kubiska kristallsystemet. Kristallerna kan anta olika
former, habitus. Alunkristallerna liknar mest formen längst till höger.

Bild: Ó Svante Åberg, Umeå Universitet
Du kan simulera kristalltillväxten på nätet i Crystal Shape Laboratory (Java applet).

Alun

Alun (aluminiumkaliumsulfat, AlK(SO4)2·12 H2O) är ett dubbelsalt (innehåller både kalium och aluminium). Alun är den mest kända dubbelsalttypen men kaliumet kan vara utbytt mot en annan stor envärd jon ex. Cs+, NH4+, Rb+ och aluminiumet kan bytas mot en tämligen liten, trevärd jon ex. Cr3+, Fe3+, Co3+.

Alunarterna kristalliseras i det kubiska systemet, oftast som oktaedrar, på samma sätt som kristallen man odlar i det här experimentet. Kristallerna är pga sin form ganska lätta att få stora när man själv odlar dom.

Framställning och användning

Alun framställs genom att man kristalliserar en lösning av kaliumsulfat och aluminiumsulfat. Alun finns att köpa på apoteket.

Det främsta användningsområdet har varit vid "vitgarvning" av läder. Det användes även inom sjukvården som adstringerande medel, dvs för att hejda ett blodflöde genom att få blodkärlen att dra ihop sig. Tidigare har alun även varit vanligt vid betning och papperslimning men har allt mer trängts undan av aluminiumsulfat (Al2(SO4)2). Numera används alun främst vid inläggning av gurkor och betning av garn före växtfärgning (aluminiumhydroxid fälls ut i textilfibrerna som då lättare kan färgas), men även när man vill göra playdodeg.

Alun har tillsammans med andra aluminiumföreningar som innehåller sulfatjon som anjon en vattenrenande förmåga i lösning. Sulfatets vattenlösning är sur. Om man nästan neutraliserar lösningen (med kalktillsats) faller hydroxiden ut och vattnet renas från slaggprodukter genom medfällning. Medfällningen innebär att partiklarna i vattnet fastnar i den bildade fällningen och följer denna till botten.

Hur kristaller formas och växer

För att kristaller ska kunna växa måste det först bildas käror som utgör startpunkter för tillväxten. Kärnorna bildas i en process som benämns nukleation. Denna process kan antingen starta med molekylerna själva, eller med hjälp av något fast material som placeras i lösningen. Dessa två metoder beskrivs nedan.

Spontan nukleation

När molekylerna av det fasta ämnet som du löst och nu vill kristallisera befinner sig i lösning så träffar de bara ibland på andra lösta molekyler av samma sort. Men när det inträffat så gör krafterna dem emellan att de dras till varann. Oftast stannar det bara vid varann ett ögonblick innan andra krafter får dem att separera. Ibland inträffar det att de stannar vid varann tillräckligt länge för att en tredje molekyl ska hinna fram, sen en fjärde, femte, osv. När det har samlats nog många molekyler i ett sånt här aggregat, ett kritiskt antal, så blir de sammanbindande krafterna starkare än de krafter som får molekylerna att lossna från varann. Det har bildats en proto-kristall där kristallisationen kan ta fart. Andra lösta molekyler börjar känna av krafterna och dras mot kristallen. Kristallen fortsätter att växa tills den inte längre kan behålla sitt fasta tillstånd i lösningen p.g.a. lösningen måste ha en viss koncentration av ämnets molekyler för att ämnet inte ska falla ut i lösningen igen. Koncentrationen av ämnet blir lägre då molekylerna som förut varit lösta dras till den växande kristallen. Detta kan undvikas om vätskans avdunstning kompenserar för detta molekylbortfall. När det uppstår en jämvikt mellan dessa molekyler i lösningen och i kristallen slutar kristallen att växa.

Inducerad nukleation

Ytan hos ett fast material i lösningen, t.ex. en sten, fungerar som en mötesplats för molekylerna. Det lösta ämnets molekyler stannar till en stund på ytan av det fasta materialet innan krafterna knuffar bort molekylen igen. Molekylerna kommer att bilda aggregat på ytan, på samma sätt som beskrivs ovan. Protokristaller bildas och kristallisationen sätter igång. Kristallerna kommer att växa snabbast i en lösning som nästan är mättad eftersom att det är större sannolikhet att molekylerna träffar på varann. I en upphettad lösning så är de uppbrytande krafterna som störst, så att aggregaten inte hinner bildas innan molekylerna fortsätter ut i lösningen. Därför sätter kristallisationen inte igång förän lösningen svalnat.

Fördjupning

Löslighet

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

Exempel på lösningar är:

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

Begränsad löslighet

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

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

Obegränsad blandbarhet

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

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

Bindningskrafterna avgör lösligheten - "Lika löser lika"

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

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

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

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

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

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

Utfällning

Utfällning är den process som gör att ett löst ämne övergår till fast form och bildar en egen, fast fas. Det ämne som bildar fast form kallas helt enkelt fällning. Vätskan som blir kvar kallas med ett finare ord för supernat.

Orsaken till att fällning bildas är alltid att lösligheten för ämnet överskrids. Men vad som gör att lösligheten överskrids kan bero på flera saker:

Det händer att de utfällda partiklarna är så små att de inte sjunker till botten inom rimlig tid. Då får man en suspension som känns igen på att den är grumlig. Men om man centrifugerar suspensionen, så kan man få fällningen att sjunka till botten. Ovanför finns då den klara lösningen.

material på grundnivå kommer att läggas in här

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Natriumklorid

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

Det finns olika kvalitéer av natriumklorid.

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

Förekomst

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

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

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

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

Användning

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

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

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

Egenskaper hos natriumklorid

Kristall av natriumkloridtyp,
med kubiskt gitter.

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

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

Fysiologisk saltlösning i människor och djur

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

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

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

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

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

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

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.

Hydratiserade joner

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena. 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.

Exempel på hur joner är hydratiserade,
dvs. omges av skal av vattenmolekyler.
Bild: © Svante Åberg

Vattenmolekyler är dipoler och bildar jon-dipolbindning i saltlösningar. Dipolen vänder sig så att den laddning som är motsatt jonens kommer närmast jonen eftersom det är den del som attraheras starkast. På grund av närheten till jonen är attraktionen av den motsatta laddningen starkare är repulsionen av laddningen med lika tecken som jonen. Därför blir det en nettoattraktion mellan jonen och dipolen.

Eftersom dipolmolekylen som helhet är elektriskt neutral får det bildade komplexet samma laddning som den enkla jonen. Eftersom det finns plats för flera vattenmolekyler kring varje jon, så omges jonerna av ett skal av vattenmolekyler. Man säger att jonerna är hydratiserade och bildar akvajoner (akvajon = jon som bundit vatten som ligander; ligand = molekyl som binds till centralatomen).

Bindningsenergin för jon-dipolbindning är alltid mycket mindre än för jon-jonbindning. När avståndet ökar, går också attraktionsenergin för den förra bindningstypen snabbare mot noll än för den senare typen. De första dipolmolekylerna som binds till en jon attraheras naturligtvis tills de kommer i kontakt med jonen. Härigenom bildas en inre sfär ("skal") av bundna ligander. Om ligander finns i tillräcklig mängd (t.ex. om jonen befinner sig i en lösning där lösningsmedlet utgörs av ligandmolekyler), binds de ofta även i ett eller flera yttre skal. Jonen kommer då att omges av ett moln av ligander som åtminstone i sina yttre delar är ganska odefinierat. Bindningsstyrkan för liganderna avtar med avståndet från centralatomen.

Den hydratiserade jonen är mycket större än vattenmolekylerna

Den nakna metalljonen är ungefär lika stor som en vattenmolekyl. Men den hydratiserade jonen är mycket större än vattenmolekylerna.

Den hydratiserade jonen fungerar som en stor partikel. Det medför att de hydratiserade jonerna inte kan passera genom semipermeabla (halvgenomsläppliga) membran. Däremot kan de fria vattenmolekylerna passera genom det semipermeabla membranet. Detta sker till exempel vid dialys. Ett annat exempel är när dricksvatten framställs ur havsvatten med omvänd osmos. Genom högt tryck tvingar man vattenmolekylerna att passera genom membranet, men de hydratiserade saltjonerna hindras. På andra sidan membranet kommer då ut rent vatten.

Koordinationskomplex

Kring en centralatom eller jon, ofta en metalljon, binds ofta molekyler eller joner som finns i den omgivande lösningen. Till exempel har man i en lösning med koppar(II)klorid kopparjoner (Cu2+) som binder ett antal kloridjoner (Cl). Utrymmet närmast kopparjonen är begränsat. Därför ryms det upp till 4 kloridjoner kring kopparjonen. Ett sådant komplex kallas koordinationskomplex och de partiklar som binds till centralatomen/jonen kallas ligander. Kloridjonen är alltså ligand.

Det finns många möjliga ligander. Ofta är lösnlingsmedelsmolekylerna ligander eftersom de är så vanliga i lösningen. Vatten (H2O) binds ofta till centraljonen och bildar ett hydratiseringsskal kring jonen. Utöver vatten (H2O) och klorid (Cl), så är ammoniak (NH3), hydroxid (OH), cyanid (CN), oxalat (COO)22- exempel på några ligander.

Koncentrationen påverkar hur många ligander som binds

Koncentrationen av de partiklar som kan fungera som ligander påverkar hur många ligander som i genomsnitt binds till centralatomerna. I en mycket utspädd lösning av kopparklorid (CuCl2) är kloridjonerna mycket ovanliga, men molekylerna av lösningsmedlet (H2O) mycket vanliga. Chansen för kopparjonen att hitta en kloridjon är därför liten. I stället binder kopparjonen vattenmolekyler som ligander och koordinationskomplexet blir [Cu(H2O)6]2+. Det ryms alltså 6 vattenmolekyler kring den centrala kopparjonen. Koordinationstalet är alltså 6 för vatten kring kopparjonen.

När koppar(II)kloriden späds med vatten byts kloridliganderna ut mot vatten och färgen övergår från grönt till blått.
Bild: CC

Om koncentrationen av kopparklorid ökar, så blir kloridjonerna vanligare. Då blir det också vanligare att kopparjoner binder en kloridjon så att koordinationskomplexet [CuCl]+ bildas. Formeln anger inte antalet vatten som också koordinerar till kopparjonen, men det finns också vattenmolekyler som binder. Därför är en mer komplett formel för komplexet [CuCl(H2O)5]+ om koordinationstalet fortfarande är 6. En kloridjon har ersatt en vattenmolekyl. På grund av kloridjonens minusladdning är komplexets laddning bara +, inte 2+ som det rena akvakomplexet hade.

Vid ytterligare högre koncentration av kopparkloriden ökar antalet kloridjoner som ligander. Som mest binder 4 kloridjoner till den centrala kopparjonen. Koordinationstalet har därför minskat från 6 till 4. Kloridjonerna är nämligen mer skrymmande (c:a 3.62 Å diameter) än vattenmolekylerna (c:a 2.75 Å diameter). Formeln för komplexet blir [CuCl4]2–, eller helt enkelt CuCl42–.

Akvakomplexet för koppar är vackert blått, men kloridkomplexet går mera i grönt. Om du har saltet koppar(II)klorid och tillsätter lite vatten i taget för att lösa saltet, så får du först den vackert gröna färgen för kloridkomplexet. Så småningom övergår färgen till blått när lösningen blir mera utspädd.

Oladdade komplex har lägre löslighet i vatten

En intressant sak är att lösligheten i vatten för komplex minskar drastiskt när komplexet är oladdat. När den tvåvärda kopparjonen koordinerar två stycken av de envärda kloridjonerna, så blir totalladdningen noll, dvs.
Cu2+ + 2 Cl ⇄ CuCl2

Lösligheten följer principen ”lika löser lika”. Eftersom vatten är ett starkt polärt ämne, så löser sig joner i vattnet lättare än oladdade partiklar.

Litteratur

  1. Gunnar Hägg, Allmän och oorganisk kemi, 1989, Norstedts förlag, Stockholm.
  2. Alun, Shenet
    http://www.shenet.se/ravaror/alun.html (2003-11-29)
  3. Crystal Growing, Udo J.A. Behner
    http://www.crystalgrowing.com/index_e.htm (2003-08-18)
  4. Crystal Growing for Students, Paul D. Boyle, North Carolina State University
    http://www.xray.ncsu.edu/student_xtal.html (2003-08-18)
  5. Crystal growing made easy, JoAnne Nelson, British Columbia Geological Survey
    http://www.science.uwaterloo.ca/earth/waton/crystal.html (2003-08-18)
  6. Mineralogy Database, David Barthelmy
    http://webmineral.com/ (2003-08-18)
  7. What types of crystals are there?, Kiwi Web
    http://www.chemistry.co.nz/crystal_types.htm (2003-08-18)
  8. How do crystals form and how do they grow?, Kiwi Web
    http://www.chemistry.co.nz/crystals_forming.htm (2003-08-18)
  9. Crystal Shape Laboratory, Udo J.A. Behner
    http://www.chemistry.co.nz/crystals_forming.htm (2003-08-18)
  10. Crystal Growing, The Chemical Institute of Canada - Hamilton Section
    http://www.netaccess.on.ca/~dbc/cic_hamilton/gcrys.html (2003-08-18)
  11. Cubic Crystal System Net, The Math Forum
    http://forum.swarthmore.edu/alejandre/workshops/crystal1.html (2003-08-18)
  12. Potassium-alum, Dan Weinrich
    http://www.webmineral.com/data/Potassium-alum.shtml (2003-08-18)
  13. Crystallography and Mineral Crystal Systems, Mike and Darcy Howard
    http://members.aol.com/jmichaelh/part1.html (2003-08-18)
  14. Crystallography, Mineralogy Database by David Barthelmy
    http://webmineral.com/crystall.shtml (2003-08-18)
  15. The Isometric (Cubic) Crystal System, Indiana University Molecular Structure Center
    http://www.iumsc.indiana.edu/morphology/cubic.html (2003-08-18)
  16. Minerals, Crystals and Their Systems, Charles Lewton-Brain
    http://www.ganoksin.com/borisat/nenam/mineral.htm (2003-08-18)

Fler experiment


aggregationsformer
Avdunstning och temperatur
Badbomber
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den tillknycklade plåtburken
En märklig planta
Ett glas luft
Exempelfil_Försvinnande bläck (Erik Lövbom)
Fryspunktsnedsättning
Förtenning
Gore-Tex, materialet som andas
Gör ditt eget läppcerat
Gör ett avtryck från papper till stearin
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur kan man göra kläder av plast?
Hur mycket vatten finns i maten?
Kemi i en brustablett
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
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
Kondomen i flaskan
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
Kondomen i flaskan
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

kemisk struktur
DNA ur kiwi
Doft och stereoisomeri
Frigolit i aceton
Gore-Tex, materialet som andas
Gummi och lösningsmedel
Gummibandets elasticitet
Hur kan man göra kläder av plast?
Kristallvatten i kopparsulfat
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
När 1 plus 1 inte är 2
Platta yoghurtburkar
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Studsboll