Gelégodis i vatten

Tillhör kategori: fysikalisk kemi, livsmedel, urval experiment under revidering

Författare: Mauritz Strandelin

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

Gelégodis i vatten

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 2

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Detta experiment går ut på att påvisa hur skum eller gelégodis tar upp vatten genom diffusion. Samt vad som sker med godiset i koncentrerad sockerlösning. Godis är kemi men också hål i tänderna (länk till dokumentet Godis är gott).

Riktlinjer

Experimentet passar som elevförsök, antingen som grupparbete eller som en av flera små enskilda laborationer. Detta arbete är enkelt att utföra, men teorin och förståelsen till försöket ligger på en högre nivå. Därför lämpar sig laborationen bäst från högstadiet och uppåt.

Säkerhet

Frånsett risken att man "råkar" äta upp godiset, föreligger inga risker med laborationen. Vattnet, koncentrerad sockerlösning och godiset kan man hälla ut i vasken/skräpkorgen.

Materiel

Förarbete

Inget förarbete.

Utförande

  1. Fyll 200 ml bägaren till drygt hälften med kallt vatten.
  2. Bered en sockerlösning genom att värma vatten till ca 60 grader C och lösa så mycket strösocker (ca 250 ml) du kan med 50 ml vatten i en 250 ml bägare. Rör om med sked. När sockerlösningen börjar bli mjölkvit har en mättnad skett. Låt sedan sockerlösningen svalna, genom att lägga bägaren med sockerlösning i 1000 ml-bägaren med isbad i ca 20 minuter, innan du fortsätter.
  3. Lägg i gelégodiset i var sin bägare.
  4. Sätt in bägarna i ett svalt rum ex, kyl under ett dygn.
  5. Observera vad som hänt med godiset.

Variation

Det går även att använda vanligt ris, jämför risets volym före och efter kokning. Då kan större säkerhet fodras när kokande vatten används [3]. Det går även bra att använda vanliga torra ärtor (ärtsoppa) som man lägger i kallt vatten, jämför volymen före och efter vattenbadet. [7]

Förklaring

Om vi lägger färska bär i vatten, sväller de. Lägger vi dem i stark sockerlag (vanligt strösocker = sackaros), krymper de. I första fallet tränger vatten genom skalet in i bären, i det andra tränger det ut från bären. Samma sak händer med gelégodiset.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Så fungerar osmos

En transport av små partiklar (i detta fall vattenmolekyler) genom en halvgenomtränglig hinna kallas osmos [1,2]. Osmos äger rum då två lösningar av olika styrka föreligger på var sin sida om en tunn hinna.

Den starkare lösningen kommer alltid att dra lösningsmedel från den svagare tills det blir samma styrka på båda sidor om hinnan (under förutsättning att lösningsmedlet, men inte det lösta ämnet, kan passera genom hinnan).

Osmos pågår tills koncentrationen av de ämnen som diffunderar (diffusion = spridning genom slumpmässiga rörelser hos atomer, molekyler eller joner. Molekyler som sprids tills koncentrationen är lika överallt) genom membranen (hinnan) är lika stor på bägge sidor av det.

Begreppet osmos kan illustreras med följande exempel. Om en vattenlösning, A, av sackaros, C12H22O11, bringas i kontakt med vatten, B, kommer sockermolekyler att diffundera i koncentrationsgradientens riktning, dvs från A till B (figur osmos, a).

Diffusion

Diffusion
a) Genom diffusionen utjämnas alla koncentrationsskillnader.

Vattenmolekyler = tomma cirklar
Sockermolekyler = fyllda cirklar

Permeabel membran (genomsläpplig)

Vatten och socker passerar membran
b) Genom att såväl socker- som vattenmolekylerna passerar genom membranen m blir koncentrationen av socker densamma i alla delar.
Semipermeabel membran (halvgenomsläpplig)

Semipermeabelt membran
c) Endast vattenmolekylerna kan passera genom den semipermeabla membranen Sm. Vätskevolymen ökar i A och lösningen stiger i röret h.
Osmotisk jämvikt i
semipermeabel membran


Osmotiskt tryck
d) När lika många vattenmolekyler passerar membranen i riktningen A till B som B till A är systemet i jämvikt.

Vätskepelarens höjd är ett mått på lösningens osmotiska tryck.

Bild: Svante Åberg
Förklaring efter [9] Börje Norén, Cellen, 1968, Almqvist & Wiksell, Uppsala på sidan 48

Som ett resultat av denna diffusion kommer till slut sockerkoncentrationen att vara densamma i hela systemet. Detsamma blir fallet, om sockerlösningen skiljs från vattnet genom membranen, genom vilken såväl sockermolekylerna som vattenmolekylerna kan passera (fig osmos, b).

Om den membran, som insätts, släpper igenom vatten men inte sockermolekyler (figur osmos, c), om den är semipermeabel, så sker även nu en koncentrationsutjämning. Vattenmolekyler från B kommer nämligen att genom membranen vandra in i A-lösningen: sockerlösningen A tar upp vatten från B, snabbare ju högre dess sockerkoncentration är.

Denna process, diffusionen av vatten genom en semipermeabel membran, kallas osmos. Som en följd av osmosen kommer sockerlösningen A att spädas ut. I takt härmed ökas dess volym.

Men vattenupptagningen kan inte fortgå hur länge som helst. När sockerlösningens volym ökar, kommer vätskan att stiga i röret, Dh (ett mått på det osmotiska trycket). Genom att mäta nivåskillnaden mellan vätskeytorna och multiplicera med vätskans densitet och tyngdkraften, får man det osmotiska trycket [1,4].

Formeln blir: π = Δh·ρ·g

 
π = det osmotiska trycket Pa
ρ = densiteten hos lösningen i röret
g = jordens tyngdacceleration; 9,81 m s-2
Δ anger en differens

Tyngden av vätskekolonnen åstadkommer i sin tur ett hydrostatiskt tryck inne i A, som pressar vattenmolekyler i riktningen A mot B.

I systemet kommer därför vattenupptagningen i A att långsamt avta. När lika mycket vatten passerar från A till B som från B till A är systemet i jämvikt och någon ytterligare utspädning av sockerlösningen äger inte rum (figur osmos, d).

Hastigheten av vattendiffusionen genom en membran påverkas sålunda inre bara av differenser i vattenkoncentration utan också av differenser i hydrostatiskt tryck.

Man kan hindra all vattenupptagning genom att redan från början lägga ett hydrostatiskt tryck på A-sidan; det lägsta tryck, som behövs för att förhindra all vattenupptagning i sockerlösningen A, kallas lösningens osmotiska tryck [9].

Omvänd osmos

Det går också att tvinga de mindre molekylerna att passera den semipermeabla membranen genom att öka trycket på ena sidan. De mindre molekylerna tvingas då över till den andra sidan med det lägre trycket. Denna påtvingande metod mot de mindre molekylerna kallas omvänd osmos, men benämns också ultrafiltrering. Om man applicerar ett högt tryck på lösningssidan så erhåller man en lösning som är mer koncentrerad än tidigare.

Några tillämpningar med osmos

Ibland utnyttjar man ultrafiltrering för att frigöra lösningsmedlet. Det är t ex möjligt att framställa färskvatten ur havsvatten med denna metod. Ultrafiltrering används också till att koncentrera proteinlösningar, avskilja gifter, (cancerogener och virus), tillverka sterilt sköljvatten för medicinsk bruk [5].

Dialys är också en form av osmos. De kolloidala partiklarna (makromolekylära ämnen = proteiner, stärkelse, nukleinsyror, blod och mjölkbildar kolloidala lösningar) är tillräckligt små för att passera genom ett vanligt filterpapper. De kan däremot, till skillnad från mindre molekyler och joner, inte diffundera genom en cellofanmembran eller vissa djurmembran [5].

Semipermeabla membran kan ha olika porstorlekar och vissa har så små porer att endast vattenmolekyler kan passera. Diffusionen genom semipermeabla membran utnyttjas praktiskt för att skilja kolloidala partiklar från vanliga små molekyler.

Proteiner kan inte passera semipermeabla membran och dialys används därför vid renframställning av proteiner. I regel används vid dialysen cellofanmembran.[5]

Godis är kemi

Att godis är gott, det tycker nästan alla. Söt smak beror oftast på socker: druvsocker (glukos), fruktsocker (fruktos) och mjölksocker (laktos).

Salt smak får man oftast av salmiak som är ammoniumklorid, NH4Cl, och inte av vanligt koksalt, NaCl.

Tillsatser av växtsyror: citronsyra, vinsyra och mjölksyra ger sur smak.

Seghet får man av stärkelseklister och en del protein. Man använder mycket dåligt och billigt protein till godis.

Kroppen har inte särskilt stor nytta av det.

Smakämnena är ofta sådana som finns i naturen, men kemisterna framställer också smakämnen billigare och för att få dem att räcka till. Om man låter den vidrigt luktande smörsyran (butansyra) förena sig med den giftiga propanolen, får man en förening, propylbutanoat (propylestern av butansyra), som smakar ananas. Föreningen är inte giftig.

Stärkelsens stora molekyler bryts sönder till socker. Sockermolekyler reagerar med syre, så att det bildas syror. Dessa syror avger vätejoner, H+, och vätejonerna angriper tändernas emalj. Tandemaljen består till stor del av ett kalciumfosfat (hydroxyapatit), där också en del hydroxidjoner ingår. När syrans (mjölksyra, citronsyra) vätejoner träffar på tandemaljens hydroxidjoner inträffar en reaktion:

H+  + OH-  H2O 
vätejon   hydroxidjonvattenmolekyl
Det är alltså samma reaktion som när saltsyra och natriumhydroxid neutraliserar varandra. Men den här reaktionen sker i så liten skala att vi inte märker av den - förrän det börjar göra ont i tanden eller tandläkaren upptäcker att du har fått ett hål. Tandemaljen har då frätts sönder.

Är det då bättre att äta alla karamellerna på en gång eller lite i taget?

Det är faktiskt bättre att äta alla karamellerna på en gång! För varje gång man stoppar en karamell i munnen bildas vätejoner. pH-värdet sjunker till ca 4 och håller sig där i 15 - 20 minuter. Äter man allt sitt godis på en gång, blir det bara ett sådant angrepp på tänderna.

Sparar man och tar lite godis då och då, får tänderna ständigt nya angrepp.

Varför fluor?

Antalet hål i tänderna har minskat dramatiskt på senare är. Orsaken är den så kallade "fluorsköljningen" och annan behandling med "fluor". Fluor (F2) är ett grundämne, släkt med klor (Cl2), brom (Br2) och jod (I2). Det är liksom dessa ämnen mycket skadligt att få i sig. Alltså vore det förskräckligt, om man skulle låta skolelever skölja munnen med fluor.

Man bara uttrycker sig slarvigt

Det man sköljer munnen med är en lösning av natriumfluorid, NaF. Den innehåller alltså natriumjoner, Na+, och fluoridjoner, F-. Fluoridjonen är nästan exakt lika stor som en hydroxidjon, OH-. När man sköljer munnen med den här lösningen, byter många fluoridjoner därför plats med hydroxidjoner i tandemaljen. Denna får då en delvis ny sammansättning som är mycket motståndskraftig. Då vätejoner från sockersyra kommer i närheten sker inte någon reaktion. Det finns inte några hydroxidjoner kvar att reagera med.

Fördjupning

Livsmedel

Maten håller igång oss

Livsmedel behövs för att hålla igång vårt biologiska maskineri. Det är via maten som vi får energi att röra oss, tänka, men också att växa och reparera våra celler i kroppen. Kroppens maskineri är oerhört komplicerat, men det klarar att styra flödena av både energi och näring till kroppens olika delar vid rätt tillfälle. Kroppen hanterar också att ta hand om de restprodukter som vi måste göra oss av med.

Processerna i kroppen när maten bryts ned, fördelas, omvandlas och görs av med, är i grund och botten kemiska reaktioner som drivs av energin i maten. Maskinen är vår biologiska kropp, men de enskilda reaktionerna är kemiska. På så sätt kan man säga att vår kropp är en kemisk maskin.

Matens ursprung

Ursprungligen hittade vi vår föda i naturen. I det moderna samhället är de flesta livsmedlen processade på något sätt. Även livsmedel som inte är processade i sig är ofta odlade eller uppfödda med metoder som skiljer sig från det som sker i naturen. Syftet är att öka produktionen och att säkerställa kvalitén.

Att livsmedlen inte är helt naturligt producerade behöver inte vara ett problem. Det är bra att vi kan producera mera med mindre resurser. Det är också bra att vi har koll på kvalitén. Men vissa saker är inte bra. Tillsatser som gör att livsmedlen får längre hållbarhet, ser mer aptitliga ut och smakar bättre är inte alltid nyttiga, även som det kan verka så.

Grunden till all produktion av livsmedel är solens energi och växternas fotosyntes. I nästa steg kan djuren äta växterna och producera kött som vi sedan kan äta, men ursprunget är växterna. Men om inte djuren och människorna fanns, så skulle växterna till slut bli utan koldioxid som de behöver för sin fotosyntes. Djur och människor andas ut koldioxid. Kropparna bryts också ned till koldioxid och mineraler när de förmultnar. Detta tar växterna hand om, ofta med svamparna som mellanled. Det hela är ett kretslopp där både växter, svampar och djur ingår. Allt levande både äter och äts. Det som får kretsloppet att hålla igång är strålningen från solen.

Tycke och smak

Genom evolutionen har vi lärt oss att välja vad som är bra med hjälp av lukten och smaken. Oftast är det som vi gillar också nyttigt. När maten är skämd, brukar den börja lukta illa, vilket gör att vi inte äter det som kan göra oss sjuka.

Men det vi tycker om är inte nödvändigtvis bra för oss. Sötma är en signal att maten är bra, vilket stämde väl när människan levde nära naturen och behövde den energi man kunde finna. Men nu finns socker i överflöd. Det blir för mycket av det goda, så att vi blir feta och får sjukdomar som karies och diabetes.

Smaken för maten är också en kulturell fråga. Den mat vi lär oss tycka om från barnsben tycker vi oftast om resten av livet. Det finns också kulturella aversioner mot vissa typer av mat. I Sverige är vi inte vana att äta insekter, men insekter är förträfflig mat som är både nyttig och miljövänlig.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Diffusion genom membran

Molekylrörelsen sprider partiklarna

Molekyler och andra partiklar har kinetisk energi om de har en temperatur över den absoluta nollpunkten -273 °C. Denna energi gör så att molekyler alltid är i rörelse. I fasta ämne kan partiklarna bara vibrera, men i gaser och lösningar kan partiklarna börja vandra omkring. Det gör att partiklarna blandas med varandra.

Diffusion är ett resultat av denna rörelse. Rörelsen gör att alla molekyler eller joner oavsett ämne sprider sig i så hög grad de kan, precis på samma sätt som värme sprider sig. Alla molekylers rörelser är slumpvisa vad gäller riktning men de rör sig fortare ju mer värmenergi de har, dvs. ju större lagrad hetta.

Trots att rörelserna är slumpvisa så kan man med hjälp av sannolikhetslära bestämma att nettotransporten av en viss typ av molekyler kommer att ske till största del i en viss riktning under en bestämd tid. Statistiken visar att nettotransport sker från områden med hög koncentration till områden med låg.

Ett membran blir en barriär som skiljer lösningar åt

Man kan skilja två lösningar eller gasblandningar åt med ett membran. Sammansättningen av partiklar blir då olika på de två sidorna. Eftersom diffusionen tenderar att blanda partiklarna så att det till slut blir lika koncentration överallt, så får man en nettotransport över membranet åt ett bestämt håll som beror på koncentrationerna.

Diffusionen genom membranet är alltid långsammare än i lösningen eller gasblandningen. Men hastigheten kan ökas genom att välja ett membran som dels är väldigt poröst, dels mycket tunt.

Membranet kan fungera som ett filter

En möjlighet med membraner är att sortera bort större partiklar som inte ryms i porerna. Till exempel kan diffusion av vatten genom membran användas för vattenrening. Både smutspartiklar och bakterier undviks då.

Diffusion genom membran som skiljer två lösningar med olika koncentration

Nettotransporten vid diffusion sker från hög koncentration till låg.
Bild: Svante Åberg

I bilden föreställer de blå partiklarna ett löst ämne. Lösningen kan vara en vätska, men gasblandningar är också en typ av lösningar. Barriären i mitten är ett semipermeabelt membran som har tillräckligt stora porer för att släppa igenom den små blå partiklarna.

Koncentrationen av lösta partiklar är högre på den vänstra sidan om membranet. Det är troligast att fler av de lösta partiklarna kommer att röra sig från den vänstra sidan av det semipermeabla membranet till den högra än tvärtom. Anledningen är att det finns fler partiklar som kan röra sig åt höger. Det leder till att koncentrationerna utjämnas och så småningom blir lika på båda sidor om membranet.


Nettotransporten blir noll när koncentrationerna är lika

Nettotransporten vid blir noll när koncentrationerna är utjämnade.
Bild: © Svante Åberg

Eftersom molekylrörelserna fortsätter kommer några av molekylerna att röra sig tillbaka till den vänstra sidan om membranet samtidigt som några andra molekyler rör sig till den andra sidan.

Men transporten är lika snabb åt båda håll eftersom koncentrationerna blivit lika på båda sidor. Därför sker ingen nettotransport sedan jämvikt ställt in sig. Man använder benämningen dynamisk jämvikt (dynamiskt eqilibrium) när en jämvikt ställt in sig trots att reaktioner fortfarande sker. Koncentrationerna av partiklar är stabila.

Rent teoretiskt är det inte omöjligt att alla lösta partiklar, av en slump, vid något kort tillfälle skulle befinna sig på den ena sidan om membranet. Detta är dock synnerligen osannolikt.


Koncentrationsgradienten bestämmer diffusionshastigheten

Ju brantare lutningen hos koncentrationskurvan är, desto snabbare sker diffusionen genom membranet.
Bild: Svante Åberg

Diffusionshastigheten är proportionell mot storleken av koncentrationsgradienten. Därför är koncentrationsgradienten av betydelse.

Med koncentrationsgradient menas hur mycket koncentrationen förändras per längdenhet i en bestämd riktning.

Koncentrationsgradientens storlek inuti membranet är differensen i koncentrationen på ömse sidor av membranet dividerat med membranets tjocklek. Du tunnare membranet är, desto större blir koncentrationsgradienten.

Om membranet dessutom är tunnare, så blir sträckan att vandra kortare. Därför ökar diffusionen genom ett membran mycket snabbt när membranet görs tunnare.

När de lösta partiklarna är för stora får vi osmos

Det semipermeabla membranet släpper igenom de små molekylerna (ex. vatten), men hindrar de stora (ex. socker).
Bild: Svante Åberg

I de fall då difussion sker genom någon form av barriär, som inte släpper igenom alla typer av ämnen, talar man om osmos.

Effekten av att det finns lösta partiklar som inte kan passera genom membranet är att förändra koncentrationen av de partiklar som faktiskt kan passera. Man kan säga att det lösta ämnet späder ut lösningsmedlet.

Det leder till en koncentrationsgradient över membranet där det rena lösningsmedlet utan löst ämne har högre koncentration. Då sker diffusion av lösningsmedel från sidan utan löst ämne till den sida där det finns löst ämne.

Det räcker att det finns en koncentrationsskillnad mellan sidorna för att få en koncentrationsgradient. Det behöver alltså inte vara rent lösningsmedel på ena sidan.

Resultatet av osmosen är att koncentrationerna utjämnas.

Osmos är särskilt intressant när det gäller levande organismer då våra cellmembran är genomsläppliga för vissa typer av molekyler men inte för andra. Detta skyddar till viss del cellerna från att invaderas av oönskade ämnen.

Osmos

En transport av små partiklar genom en halvgenomtränglig hinna (semipermeabelt membran) kallas osmos. Osmos äger rum då två lösningar med olika koncentration finns på var sin sida om den tunna hinnan.


Osmos är när lösningsmedlet diffunderar genom ett semipermeabelt membran som inte släpper igenom det lösta ämnen.
"Osmosis" av OpenStax" (CC BY 3.0)

Det som skiljer osmos från allmän diffusion av partiklar genom ett membran är att membranet siktar partiklarna efter storlek. Membranet har porer som släpper igenom enbart de små partiklarna. I allmänhet är det lösningsmedlets molekyler som passerar. Däremot kan det lösta ämnet kan inte passera membranet.

Partiklar sprids genom diffusion. Diffusion är slumpmässiga rörelser hos atomer, molekyler eller joner, som leder till att lösningar tenderar att blandas. Partiklar som är alldeles intill membranet kan ibland träffa på en por så att de passerar över till andra sidan.

Den mer koncentrerade lösningen kommer alltid att dra lösningsmedel från den utspädda. Blandningsprocessen fortsätter så länge som det finns en koncentrationsskillnad mellan de två lösningarna eller att det bildas ett mottryck som förhindrar transporten genom membranet.

Förklaring av osmosen

Figur a: I bägarens nedre vänstra hörn finns en koncentrerad vattenlösning av sackaros, C12H22O11. I resten av bägaren finns rent vatten. Sockermolekyler kommer att diffundera i koncentrationsgradientens riktning, dvs. från nedre vänstra hörnet till resten av lösningen. Diffusionen gör att sockerkoncentrationen till slut kommer att vara lika hög i hela systemet.

Diffusion

Diffusion
a) Genom diffusionen utjämnas alla koncentrationsskillnader.

Vattenmolekyler = tomma cirklar
Sockermolekyler = fyllda cirklar

Permeabel membran (genomsläpplig)

Vatten och socker passerar membran
b) Genom att såväl socker- som vattenmolekylerna passerar genom membranen m blir koncentrationen av socker densamma i alla delar.
Semipermeabelt membran (halvgenomsläppligt)

Semipermeabelt membran
c) Endast vattenmolekylerna kan passera genom den semipermeabla membranen Sm. Vätskevolymen ökar i A och lösningen stiger i röret h.
Osmotisk jämvikt i
semipermeabel membran


Osmotiskt tryck
d) När lika många vattenmolekyler passerar membranen i riktningen A till B som B till A är systemet i jämvikt.

Vätskepelarens höjd är ett mått på lösningens osmotiska tryck.

Bilder: Svante Åberg
Förklaring efter Börje Norén, Cellen, 1968, Almqvist & Wiksell, Uppsala på sidan 48

Figur b: Om man sätter en skiljevägg i bägaren av ett membran som släpper igenom både socker- och vattenmolekyler, så sker samma sak. Koncentrationen av socker kommer att jämnas ut till dess den är lika på båda sidor av membranet.

Figur c: Om skiljeväggen däremot är semipermeabel (halvgenomsläpplig), så släpper den bara igenom lösningsmedlet (vatten), men inte det lösta ämnet (sackaros). Vi får osmos.

Det blir en nettotransport av lösningsmedlet genom membranet, från höger sida till vänster. Som en följd av osmosen kommer sockerlösningen A att spädas ut. Samtidigt ökar dess volym.

Figur d: Men vattenupptagningen kan inte fortgå hur länge som helst. När sockerlösningens volym ökar, kommer vätskan att stiga i röret, Δh (ett mått på det osmotiska trycket). Genom att mäta nivåskillnaden mellan vätskeytorna och multiplicera med vätskans densitet och tyngdkraften, får man det osmotiska trycket.

Formeln blir: p = Δh·ρ·g


π = det osmotiska trycket Pa
ρ = densiteten hos lösningen i röret
g = jordens tyngdacceleration; 9,81 m s-2
Δ anger en differens

Tyngden av vätskekolonnen åstadkommer i sin tur ett hydrostatiskt tryck inne i A, som pressar vattenmolekyler i riktningen A mot B.

I systemet kommer därför vattenupptagningen i A att långsamt avta. När lika mycket vatten passerar från A till B som från B till A är systemet i jämvikt och någon ytterligare utspädning av sockerlösningen äger inte rum.

Hastigheten av vattendiffusionen genom en membran påverkas alltså inte bara av skillnader i vattenkoncentration, utan också av skillnader i hydrostatiskt tryck.

Man kan hindra all vattenupptagning genom att redan från början lägga ett hydrostatiskt tryck på A-sidan. Det lägsta tryck, som behövs för att förhindra all vattenupptagning i sockerlösningen A, kallas lösningens osmotiska tryck.

Omvänd osmos

Det går också att tvinga de mindre molekylerna att passera den semipermeabla membranen genom att öka trycket på ena sidan. De mindre molekylerna tvingas då över till den andra sidan med det lägre trycket. Denna påtvingande diffusion av små partiklar (lösningsmedel) åt "fel håll" genom membranet kallas omvänd osmos, men benämns också ultrafiltrering. Om man sätter sidan med lösta ämnet under högt tryck, så erhåller man en lösning som är mer koncentrerad än tidigare.

Några tillämpningar med osmos

Ibland utnyttjar man ultrafiltrering för att frigöra lösningsmedlet. Det är t ex möjligt att framställa färskvatten ur havsvatten med denna metod. Ultrafiltrering används också till att koncentrera proteinlösningar, avskilja gifter, (cancerogener och virus), tillverka sterilt sköljvatten för medicinsk bruk.

Dialys är också en form av osmos. De kolloidala partiklarna (makromolekylära ämnen = proteiner, stärkelse, nukleinsyror, blod och mjölkbildar kolloidala lösningar) är tillräckligt små för att passera genom ett vanligt filterpapper. De kan däremot, till skillnad från mindre molekyler och joner, inte diffundera genom en cellofanmembran eller vissa djurmembran.

Semipermeabla membran kan ha olika porstorlekar och vissa har så små porer att endast vattenmolekyler kan passera. Diffusionen genom semipermeabla membran utnyttjas praktiskt för att skilja kolloidala partiklar från vanliga små molekyler.

Proteiner kan inte passera semipermeabla membran och dialys används därför vid renframställning av proteiner. I regel används vid dialysen cellofanmembran.

Osmotiskt tryck

Att mäta det osmotiska trycket

Bild: Svante Åberg

Se figuren till höger. Lösningen i glasröret, innanför det semipermeabla membranet, har en högre koncentration av löst ämne än den i bägaren. Osmosen får vatten att vandra in i glasröret. I stigröret ger vätskepelarens tyngd ett tryck som ökar ju högre vattnet stiger. Det tryck som precis räcker för att stoppa nettoinflödet av vatten, och därmed stoppar den osmotiska processen, kallas för det osmotiska trycket.

Man kan mäta detta tryck med med hjälp av uppställningen i bilden. Trycket är lika med nivåskillnaden mellan vätskeytorna multiplicerat med vätskans densitet och tyngdkraften. Formlen blir alltså

π = h·ρ·g, där
π = det osmotiska trycket
h = höjden som vätskan stiger till
ρ = densiteten hos lösningen i röret
g = jordens tyngdacceleration = 9,81 m·s-2

Det osmotiska trycket kan också beräknas teoretiskt. Sambandet är

π = c·R·T, där
π = det osmotiska trycket
c = koncentrationen i mol dm-3
R = allmänna gaskonstanten = 8,314 J·K-1·mol-1
T = absoluta temperaturen i Kelvin

Osmotiskt tryck är en kolligativ egenskap

Kolligativa egenskaper är sådana som enbart beror på koncentrationen av partiklar, men inte på andra egenskaper såsom molekylvikt, smältpunkt, polaritet, osv.

Osmotiskt tryck är en kolligativ egenskap. Det betyder att samma koncentration av partiklar ger samma osmotiska tryck oberoende av vilket typ av ämne det handlar om. Det betyder till exempel att sockermolekyler och natriumkloridjoner ger samma osmotiska tryck och det är lika många partiklar.

Vi måste dock tänka på att när salter löses upp i joner, så ger varje formel flera joner. Exempelvis ger 0,10 mol dm-3 NaCl(aq) koncentrationen 0,20 mol dm-3 joner i lösningen:
NaCl(s) [1 formelenhet] → Na+ + Cl [2 joner]

För att ge samma osmotiska tryck krävs alltså koncentrationen 0,20 mol dm-3 sackaros.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Jämvikt

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

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

A ⇄ B

En liknelse för att förklara jämvikten

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

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

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

Vi öppnar kranen

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


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

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

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

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

Vi ändrar flödet

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

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

Exempel på jämvikter

Esterjämvikten

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

alkohol + syra → ester + vatten

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

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

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

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Löslighetsjämvikt

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

NaCl(s) ⇄ Na+ + Cl

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

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

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

Jämviktsläget

Massverkans lag

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

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

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

Sannolikheten för kemisk reaktion vid en kollision

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

Aktiveringsenergin måste övervinnas för att reaktion ska ske

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

När energinivåerna skiljer, så påverkar det jämviktsläget

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

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

Jämviktskonstanten är ett mått på jämviktsläget

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

2 H2 + O2 ⇄ 2 H2O, K = 3,2·1081 M–1

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

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

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

alkohol + syra ⇄ ester + vatten, K ≈ 4

Litteratur

  1. Hans Elmgren, Fysikalisk kemi, 1984, Esselte Studium, Arlöv.
  2. Else W. Ramstad, Vardagslivets kemi och fysik, 1980, LT:s förlag, Borås.
  3. Hermann Krekeler och Marlies Rieper-Bastian, Spännande experiment, 1996, Berghs förlag AB, Hässleholm.
  4. Steven S.Zumdahl, Chemistry, 1993, Third Edition, D.C. Heath and Company, Lexington, USA.
  5. Tor Lif, Biokemi Grunder,1989, Esselte Studium, Borlänge.
  6. Lars Ljunggren, Biologi B, Gymnasieskolan, 1991, Natur och Kultur, Stockholm.
  7. Andersson, Leden, Sonesson, Rydén, Gymnasiekemi 3, 1994, Almqvist & Wiksell Förlag AB, Uppsala.
  8. Hans Jurgen Press, Vardagslivets hemligheter,1981,Raben & Sjögren, Kungälv.
  9. Börje Norén, Cellen, 1968, Almqvist & Wiksell, Uppsala.
  10. Godisfakta: Råvaror, Webes konfektyr
    http://www.webes.se/godisfakta/ravaror.htm (2003-08-18)
  11. Geléhallon, KaramellKungen
    http://www.karamellkungen.se/candyking/main.nsf/assortment/
    71514855B8BC578BC1256EE500497CB0 (2004-10-14)
  12. Lab: Biologically Important Molecules or the Chemistry of Foods, Gushwa
    http://gushwalogy.org/ChemFood.htm (2003-08-18)

Fler experiment


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
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

livsmedel
Bjud din jäst på mat
Blev disken ren?
Blå himmel och röd solnedgång
Coca-Cola vs Coca-Cola light
Den bästa bulldegen
Diska med äggula
Doft och stereoisomeri
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Flyter isen i matoljan?
Framställ låglaktosmjölk
Fruktköttet får solbränna
Fruktmörade proteiner
Göra lim av kasein
Hur gör man kakan porös?
Hur moget är äpplet?
Hur mycket vatten finns i maten?
Höna med gummiben?
Innehåller koksaltet jod?
Kallrörd vaniljkräm och saliv
Kan man tapetsera med abborrar?
Koka Cola
Koka knäck
Maizena gör motstånd
Majonnäs - en emulsion
Massverkans lag och trijodidjämvikten
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Modellmassa av mjölk
Olja som lösningsmedel
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Pektin och marmeladkokning
Popcorn
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Skär sig majonnäsen?
Släcka fett på rätt sätt
Stärkelse och vatten - fast eller flytande?
Syror och baser i konsumentprodukter
Testa C-vitamin i maten
Utvinna järn ur järnberikade flingor
Vad händer när degen jäser?
Vad innehåller mjölk?
Vad är det i saltet som smakar salt?
Varför kan man steka i smör och olja men inte i lättprodukter?
Varför mörknar en banans skal?
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Vispa grädde
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Äta frusen potatis

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