Färgämnen i M&M

Tillhör kategori: jämvikt, spektrum, ljus och färg, vardagens kemi

Författare: Jessica Ludvigsson

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

Färgämnen i M&M

Irriterande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 20 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 2

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

I det här experimentet får man bekanta sig med en kemisk metod för separation och analys av ämnen. Försöket utförs på någonting som vi alla har kommit i kontakt med, godis, de färgglada pastillerna M&M. Undersökningen går ut på att ta reda på lite mer om dessa färgämnens kemiska "utseende".

Riktlinjer

Experimentet är lämpligt att utföra som elevförsök. Det kan vara en bra inkörsport till de vidare försök kring olika analysmetoder många av eleverna kommer att göra under gymnasietiden. Men självklart krävs en viss försiktighet när man handskas med vätskorna som ingår i försöket.

Säkerhet

Utspädd ammoniak är självklart mindre riskfylld att handskas med än den koncentrerade men det är fortfarande ett farligt ämne som bör användas med respekt. Här sker värmning av ammoniaklösning den är betydligt flyktigare än vatten och dess ångor kan skada ögon varför försöket bör genomföras i dragskåp med labglasögon på. Lösningen kan därefter spolas ned i slasken.

Ättikan (24 % ättiksyra) handskas vi även med i hemmet men nu ska det nästan kokas och stänkrisk finns varför labglasögonen fortsättningsvis ska vara på och försöket gärna kan utföras i dragskåp. Det kan tyckas vara lite överdrivet men det är bra att ledas in på den vägen att man gärna är mer försiktig än vad nöden kräver för att undvika eventuella olyckor. Ättiklösning kan också spolas ned i avloppet.

Butanolen som tillkommer som nytt ämne i eluenten bör handskas med på ett sådant sätt att inte risk för antändning finns, se till att alla brännare som eventuellt använts tidigare i försöket är avstängda. Eluenten kan också efter avslutat försök spolas bort.

Materiel

Förarbete

Blanda den 2 %-iga ammoniaklösningen och eluenten. Klipp till lämpliga remsor till kromatografin.

Utförande

Foto: © Svante Åberg

Förbered ullgarn och färglösning

Separera sockret och färgämnena med ullgarn

  1. Lägg i en meter garn till färglösningen.
  2. Tillsätt några droppar ättika.
  3. Upphetta till nästan kokning (90 °C).
  4. Skölj garnet.
  5. Extrahera färgen ur garnet med 20 cm3 2  ammoniaklösning under sjudning i fem minuter.
  6. Ta upp garnet och koka tills ingen vätska återstår.

Kromatografi

  1. Späd färgerna med några droppar vatten och sätt små fläckar på filterpapperet ett par cm från ena änden. Upprepa detta 3-4 ggr och låt fläcken torka mellan appliceringarna så att fläcken blir tydlig.
  2. Kromatografin tar ett par timmar så montera filtrerpapperet på en penna med hjälp av ett gem (se bild). Detta underlättar och ger dig möjligheten att ställa undan bägaren under tiden du väntar.
  3. Eluera med butanol : etanol : 2 % ammoniak, (3:1:1). Lägg gärna ett lock på bägaren för att förhindra att elueringsvätskan avdunstar.

Variation

Färgen från pastillerna kan lösas upp i lite vatten, därefter kokas lösningen för att göra den mer koncentrerad. Använd sen denna lösning och utför kromatografin. Detta är ett snabbare sätt men allt socker i lösningen kan försvåra kromatograferingen. Sockermolekylerna hindrar färgpartiklarna från att följa med elueringsvätskan.

Förklaring

Experimentet går ut på att se skillnader mellan olika färger i M&M (eller andra hårda godis med glaserad, färgad yta) och eventuellt kunna separera och se vilka färger som ingår i en svart eller brun pastill. Brun färg är nämligen en blandning av många färger och vilka dessa är kan man få reda på genom att separera dem.

Ullgarnet används för fånga upp färgen i vattenlösningen. När garnet sköljs tvättas sockret bort. Den varma ammoniaklösningen får färgen att släppa garnet igen.

Färgfläcken som satts på papperet dras med en viss sträcka av vätskan som vandrar uppåt. Hur långt färgen följer med beror på löslighetslagarna enligt principen "lika löser lika". Liknar färgen mest vätskan så följer den med en längre sträcka, men liknar den papperets molekyler så fastnar den i papperet. Olika färger ser olika ut och vandrar olika långt och på detta sätt kan man senare urskilja de olika färgerna i tex den bruna pastillen.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Löslighet varmt kallt

Försöket inleds med att man löser upp färgen på pastillerna genom ett vattenbad. Man väljer här att använda sig av varmt vatten detta med tanke på att varmt vatten snabbare löser ämnen. Orsaken till detta är att varmt vatten är mer energirikt, detta gör att vattenmolekylerna rör sig mer och därmed oftare stöter i färgmolekylerna på pastillerna och löser dem. (Detta går att enkelt demonstrera genom att hälla salt i ett glas med varmt resp. kallt vatten och se var det snabbast löser sig.)

Färgämnen

Synonymer
  • E102 (Tartrazine, Acid Yellow 23, FD&C Yellow No. 5; C.I. 19140; CAS 1934-21-0)
  • E104 (Quinoline Yellow, Acid Yellow 3, FD&C Yellow No. 10; C.I. 47005; CAS 8004-92-0)
  • E110 (Paraorange, Sunset Yellow FCF, FD&C Yellow No. 6; C.I. 15985; CAS 2783-94-0)
  • E122 (Azorubine, Carmoisine, C.I. Food Red 3, C.I. 14720; CAS 3567-69-9)
  • E124 (Ponceau 4R, Acid Red 18, C.I. 16255, CAS 2611-82-7)
  • E129 (Allura Red AC, FD&C Red No. 40, C.I. 16035; CAS 25956-17-6)
  • E132 (Indigotine, Acid Blue 74, FD&C Blue No. 2; C.I. 73015; CAS 860-22-0).
  • E133 (Brilliant Blue FCF, Acid Blue 9, FD&C Blue No. 1; C.I. 42090; CAS 3844-45-9).

Lösningen innehåller sedan det färgämne som ursprungligen färgade godiset men även en del socker. M&M färgas med olika färger: E104 (gul), E110 (orange), E122 (röd), E124 (röd), E129 (röd) och E133 (blå). Dessutom finns E171 (vit) som är titandioxid.

Ett annat godis vid namn Smarties färgas med E102 (gul), E110 (orange), E122 (röd) och E132 (dalablå).

Färgämnen används idag i stor omfattning i livsmedelsindustrin. Produkter färgas för att stärka dess ursprungliga färg eller helt enkelt bara göras mer attraktiva. Sverige har haft omfattande restriktioner för användning av färgämnen men i och med vårt inträde i EU har användandet ökat. De färger som ingår i pastillerna är syntetiska och av azo-typ. De har tidigare förbjudits för att de kan orsaka astma och allergier men även sömn- och koncentrationssvårigheter. Men dessa biverkningar är knappast vanliga vid intag av en eller annan M&M.

Azo-färgämnen utgör 60-70 % av alla syntetiska färgämnen. De innehåller en eller flera azogrupper, -N=N- . Azofärgämnen framställs ur aromatiska aminer (generell formel Ar-NH2) och en så kallad kopplingkomponent som kan vara en fenol- eller karbonylförening.

En del azo-färgämnen fungerar också som pH-indikatorer. Ett exempel på detta är metylorange som är röd under pH 3 och gul över pH 4,5.

Extraktion

Extraktion är att ur en blandning av ämnen lösa ut vissa önskvärda komponenter. Kaffe och tekokning är enkla exempel på extraktion där du urlakar de önskvärda smakämnena ur kaffebönorna eller tebladen. Här lakar vi ur färgen ur garnet istället.

Löslighet

Vatten- och etanolmolekyler attraherar
varandra med med vätebindningar
Bild: © Svante Åberg

Vätskor som alltid löser sig i varandra oberoende av blandningsförhållande kallas blandbara. Vätskor som lätt löses i varandra liknar varandra, dess molekyler hålls ihop av bindningar med samma styrka. En blandning av etanol och vatten är homogen, dvs. du kan inte urskilja de olika komponenterna. Detta beror på att de båda har starka vätebindningar mellan sina molekyler och etanolmolekylerna binds till vattenmolekylerna.

Natrium- och kloridjonerna är hydratiserade,
dvs. omges av skal av vattenmolekyler
Bild: ©Svante Åberg

Koksalt (NaCl) och vatten (H2O) bildar också en homogen lösning men här beror det på att vattnet är en dipol och vattenmolekylens positiva sida drar till sig den negativa kloridjonen och vice versa. Lösningen innehåller nu vattenmolekyler och fria joner som är bundna till vattenmolekylen dvs. hydratiserade. Bindningen däremellan kallas jon-dipolbindning.

Om man däremot blandar vatten med heptan uppstår en skiktning, ämnena blandas inte. Heptan har nämligen svaga van der Waals-bindningar mellan sina molekyler och som vi tidigare nämnt har vattnet starka vätebindningar, dessa blandas därför inte. För att visa detta kan man ju med fördel visa på exemplet med olja och vatten som alla känner till. Det polära vattnet löses ej i fettet som är opolärt och ofta har en lång kolkedja.

Kromatografi - färgskrift

Kromatografi är ett sätt att separera olika ämnen från varandra, alltifrån små joner och molekyler till stora polymerer. Man kan separera ämnen ur blandningar med flera hundra komponenter beroende på vilken typ av kromatografi man använder. Man separerar med den här metoden olika ämnen mellan en stationär fas och en mobil fas. Ämnen med olika utseende och laddning kommer då att följa med den mobila fasen olika långt med hänseende till hur den binder till den fasta fasen. På detta sätt kan man särskilja olika ämnen som man inte kan se med blotta ögat.

Nu ska vi separera komponenter i ett syntetiskt färgämne, men man kan även använda sig av denna metod för att se vad den naturligt gröna färgen i ett blad består av (klorofyll och karoten tex). Vi kommer i detta försök att använda oss av en typ av vätskekromatografi. Det finns två huvudtyper av kromatografi, vätske- (som vi i försöket ska använda oss av) och gaskromatografi. Vätskekromatografin delas in i tre typer: kolonn-, tunnskikts- och papperskromatografi. När vi till slut fått fram ett prov bestående av endast färgämne så ska vi ta reda på vad det består av genom att göra en papperskromatografi. Detta utförs genom att papperet agerar stationär fas (cellulosafibrer) och vår eluent (lösning med ett eller flera lösningsmedel) är den mobila fasen som transporterar färgens olika beståndsdelar olika långt.

Kromotografins resultat baseras på ett jämviktstillstånd mellan de olika faserna som är mer eller mindre polära. I vårt fall använder vi oss av ett filtrerpapper som kan anses vara relativt polärt, elueringsvätskan ska då i relation till denna vara opolär för att skillnaden ska kunna åskådliggöras.

I figuren nedan är pappersfibrerna (stationärfasen) grå och elueringsvätskan (mobilfasen) ljusblå. Så länge de röda färgpartiklarna är i lösning följer de med elueringsvätskan som flyter genom papperet. Färgpartiklar som fastnat på pappersfibrerna står stilla. Färgpartiklarna fastnar och lossnar ständigt och jämt, men i genomsnitt följer de med vätskan en bestämd andel av tiden.

Bild: ©Svante Åberg

Hur stor denna andel är beror på lösligheten i elueringsmedlet och på hur hårt de binds till stationärfasen. En mer polär partikel binds hårdare till den polära stationärfasen och vandrar därför långsammare. En mer opolär partikel löser sig lättare i den opolära elueringsvätskan och vandrar därför längre. I figuren ser man att ungefär var tredje röd partikel är i lösning. Därför vandrar partiklarna med ungefär 1/3 av elueringsmedlets hastighet.

Foto: ©Svante Åberg

När försöket görs med en brun pastill kommer förhoppningsvis flera olikafärgade band att uppträda som separeras genom att de vandrar olika långt beroende på polariteten. Ett färgband kommer att ha intensiv färg i mitten för att sen försvagas ut mot kanterna. Detta beror helt enkelt på slumpen vissa partiklar har oftare stött på cellulosapartiklar, där de tvingats att stanna en stund, än andra.

Denna kromatografi har utförts på vanligt filtrerpapper vilket ger ett något sämre slutresultat än om man använder speciellt kromatografipapper. Men det är fortfarande fullt synligt att de olika färgerna har separerats. Ett tips är att liksom på den tecknade bilden ovan försöka göra ett streck istället för en prick, resultatet ser bättre ut. Men att få till en rak rand är inte helt enkelt.

Fördjupning

Polaritet

I kemiska föreningar delas elektroner mellan atomerna som ingår i föreningen. Olika grundämnen har olika förmåga att attrahera elektronerna. Denna egenskap kallas elektronegativitet. Generellt sett har metaller låg elektronegativitet och ickemetaller hög elektronegativitet. Tittar man på ickemetallerna så är elektronegativiteten högst hos kväve (N), syre (O) och fluor (F). Lägst elektronegativitet, dvs. de mest elektropositiva grundämnena, finns i grupp 1 nedtill i periodiska systemet.

Polaritet hos molekylföreningar

Elektronegativitet förskjuter elektronmolnet i molekylen

Molekylföreningar är ämnen där ickemetaller har bundits till varandra. Bindningarna är kovalenta bindningar, så kallade elektronparbindningar. Elektronparen bildar elektronmoln som binder samman de två atomerna i bindningen. På grund av olika elektronegativitet hos de olika atomslagen, så förskjuts elektronmolnet mot det mer elektronegativa atomslaget. Om till exempel syre och väte bind till varandra, så är elektronmolnet förskjutet mot syre på grund av dess höga elektronegativitet.

I vätefluorid (HF) är fluor den mer elektronegativa atomen till höger.
CC Benjah-bmm27

Elektronerna är bara förskjutna i bindningen, men flyttar inte över helt och hållet. Men förskjutningen av elektronmolnet gör att en del av molekylen kan vara mer negativ. Eftersom den totala laddningen för en molekyl är noll, så finns motsvarande positiva laddning på den atom som har lägre elektronegativitet. Man säger att bindningen är polär.

Molekylen blir en dipol

Den polära bindningen kan göra att molekylen som helhet blir polär. En sådan molekyl kallas för dipol. Exempelvis är vätefluorid en dipol där fluoret har ett negativt laddningsöverskott (rött) och vätet ett positivt (blått).

Vatten är ett starkt polärt ämne på grund av syrets höga elektronegativitet.
CC

Ett annat exempel är vattenmolekylen där syret har ett negativt laddningsöverskott och vätena ett positivt. Här är det två bindningar till syret, en till vardera väteatomen. Den negativa laddningen på syret är därför summan av de positiva laddningarna på vätena. På grund av att den är vinklad är vattenmolekylen en dipol med den negativa änden vid syret och den positiva mitt emellan väteatomerna.


I koldioxid (CO2, O=C=O)är båda bindningarna mellan kolet i mitten och syret i änden polära, men motsatt riktade. Molekylen som helhet blir därför opolär.
CC
Symmetri kan släcka ut polariteten hos bindningarna

Koldioxid innehåller bindningar mellan kol och syre. Syreatomerna i var sin ända är mer elektronegativa än kolatomen i mitten. Bindningarna är alltså polära.

Koldioxid är en rak molekyl, till skillnad från vattenmolekylen. Dessutom är den polära bindningen mellan kol och syre i den ena änden motriktad motsvarande bindning i den andra änden. De motsatt riktade bindningarna släcker ut varandras polaritet, så att molekylen som helhet blir opolär, trots att de ingående bindningarna är polära.

Detta är exempel på att man måste känna till den tredimensionella strukturen hos en molekyl för att veta om den faktiskt är polär.

I kvävgas (N2) är båda atomerna lika elektronegativa. Bindningen mellan atomerna är därför opolär.
CC
En bindning mellan samma atomslag är opolär

Mellan olika atomslag finns det alltid en viss skillnad i elektronegativitet. Skillnaden kan vara stor eller liten, men inga atomslag av två olika grundämnen har exakt samma egenskaper. Däremot är två atomer av samma atomslag exakt likadana. Det betyder också att bindningen mellan dem är helt opolär. Exempel på sådan molekyl är kvävgas.


Förening mellan metall och ickemetall

I en kristall natriumklorid är den positiva Na+-jonen (lila) omgiven av negativa Cl-joner (grön) och vice versa.
CC Benjah-bmm27
Joner är alltid polära

I föreningar mellan metall och ickemetall är skillnaden i elektronegativitet så stor att en eller flera elektroner hoppat över helt och hållet från metallen till ickemetallen. Kvar blir då positiva metalljoner och negativa ickemetalljoner. Polär betyder ”laddad”. Det innebär att joner, som ju alltid har en laddning, alltid är polära.

Ett typiskt exempel på en jonförening är natriumklorid, dvs. vanligt koksalt. Saltkristallerna är uppbyggda av tätt sammanpackade positiva natriumjoner och negativa kloridjoner. Varannan jon är positiv och varannan negativ för att plus- och minusladdningar ska komma så nära varandra som möjligt. Positiv och negativa laddningar attraherar nämligen varandra.

Några föreningar mellan metall och ickemetall är gränsfall

Några metaller är inte så elektropositiva, dvs. deras elektronegativitet är inte så låg. De finns i periodiska systemen i gränsområdet mellan metaller och ickemetaller. Halvmetallerna är sådana, men även några som betecknas som metaller är ändå inte så elektropositiva.

Ett sådant exempel är silver (Ag). När silver och klorid reagerar till silverklorid (AgCl), så är skillnaden i elektronegativitet för liten för att det ska bildas joner. Men bindningen är ändå starkt polär. Därför är bindningen i silverklorid polär kovalent. Silverklorid är visserligen ett polärt ämne, men inte så starkt polärt. Lösligheten i vatten är därför dålig.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Hydrofil och hydrofob

Det grekiska ordet fili betyder kärlek, vänskap och dragning till. Motsatsen i grekiskan är fobi, som betyder fruktan eller rädsla för. Även ordet hydro kommer från grekiskan och anger att något har med vatten att göra.

Inom kemin talar vi om hydrofila eller hydrofoba egenskaper hos molekylgrupper eller hela molekyler. Förklaringen till de hydrofila och hydrofoba egenskaperna ligger hos attraktionskrafterna mellan partiklarna i en vattenlösning, det vill säga de intermolekylära bindningarna.

Vatten är ett starkt polärt lösningsmedel

Vi utgår från att vårt lösningsmedel är vatten.

Mellan vattenmolekylerna finns starka vätebindningar. Vätebindningarna orsakas av ett positivt laddningsöverskott på väteatomen och ett negativt på syreatomen. Vätet i en vattenmolekyl attraheras därför av syret i en angränsande vattenmolekyl. Det är den starka polariteten i vätebindningarna som är kännetecknande för vattnets egenskaper.

Det finns andra lösningsmedel som har liknande egenskaper som vatten. Ett exempel är metanol (CH3OH), som också har en OH-grupp och kan vätebinda. Ett annat exempel är ättiksyra (CH3COOH), som även den har en OH-grupp som kan vätebinda. Vatten är dock i en särställning bland lösningsmedel vad gäller styrkan hos polariteten.

Förklaringen bakom "lika löser lika"

I vattenlösningen binder vattenmolekyler till varandra med sina vätebindningar. En lösning förutsätter att lösningsmedlet och det lösta ämnet blandas ända ner på molekylnivå. Det lösta ämnet och lösningsmedlet är i väldigt nära kontakt med varandra. För att detta ska vara möjligt måste bindningen mellan det lösta ämnet och vattnet vara så stark att den kan konkurrera med vätebindningen mellan vattenmolekyler.

Polärt ämne i polärt lösningsmedel

En förutsättning för en stark bindning mellan det lösta ämnet och vatten är att det lösta ämnet också är polärt, det vill säga har laddningar som kan attrahera vattenmolekylernas laddningar. Exempelvis kan metanol, med sin polära OH-grupp, vätebinda till vattenmolekyler. För vattenmolekylerna gör det därför inte så stor skillnad om de binder till en annan vattenmolekyl eller till en metanolmolekyl. Vatten och metanol kan blandas ända ner på molekylnivå.

Ett annat exempel på polärt ämne är koksalt. Polariteten finns inbyggd i saltets byggstenar, som ju är jonerna Na+ och Cl. Polariteten hos saltet gör att det löser sig i vatten.

Opolärt ämne i polärt lösningsmedel

Vatten och olja separerar i två faser eftersom vatten är polärt, men olja opolär.
Bild: Svante Åberg

Om det lösta ämnet är opolärt, eller bara är svagt polärt, så skapas ingen stark bindning till vatten. Vattnet binder bara till andra vattenmolekyler. Det betyder att allt vatten klumpar ihop sig till en fas.

Det ämne som skulle lösas blir över och bildar en egen fas. Det är inte så att molekylerna i det opolära ämnet attraheras till varandra. Tvärtom är bindningarna mellan de opolära molekylerna svaga. Men det är helt enkelt så att de blir över när vattenmolekylerna håller ihop.

Bildningen av faser bygger på att polära och opolära ämnen inte blandar sig med varandra. Sedan gör skillnaden i densitet att den ena fasen flyter upp och den andra sjunker. Om du försöker blanda vatten (polärt) med bensin (opolärt), så kommer den lättare bensinen att lägga sig som ett lager ovanpå vattnet. Bensinen utgör den ena fasen och vattnet den andra.

För att lättare förstå hur detta fungerar kan du tänka dig att du har en kulpåse med stenkulor och små runda magneter. Om du skakar på påsen ett tag, så kommer magneterna att klumpa ihop sig. Över blir stenkulorna, som ligger för sig själva. Magneterna motsvarar vattenmolekyler och stenkulorna opolära molekyler i denna liknelse.

Opolärt ämne i opolärt lösningsmedel

När lösningsmedlet är opolärt, som till exempel bensin, så finns inga starka bindningar mellan molekylerna i lösningsmedlet. Det gör det lätt för andra molekyler att konkurrera med bindningarna mellan lösningsmedelsmolekylerna. Till exempel kan opolära jodmolekyler lösa sig i bensin. Bindningen mellan jod och bensin är visserligen svag, men det gör inget eftersom bindningen mellan två bensinmolekyler också är svag. Det lösta ämnet och lösningsmedlet blandar sig ner på molekylnivå.

Detta exempel kan illustreras med en kulpåse där man har stenkulor och glaskulor. Även om det är olika sorters kulor, så blandas de med varandra om påsen skakas, eftersom inga kulor attraherar varandra.

Hydrofob effekt


Fosfolipider kan bilda olika strukturer som bygger på den hydrfoba effekten där den opolära delen av molekylen undviker kontakt med vattnet.
"Phospholipids aqueous solution structures" av Mariana Ruiz Villarreal, LadyofHats" Public Domain Mark

Hydrofob effekt är tendensen hos opolära ämnen att klumpa sig samman i vattenlösningar och utestänga vattenmolekyler.

Exempel är bildningen av cellmembran där fosfolipider vänder sin opolära (hydrofoba) ände in mot membranets mitt och den polära (hydrofila) delen ut mot vattenlösningen. Cellmembranet är ett bilager där dess inre hydrofoba del är gömd från kontakt med vattnet.

Ett annat exempel är hydrofoba områden på proteiner. Sådana områden har en förmåga att binda till sig opolära molekyler. Ofta är enzymers funktion kopplade till sådan hydrofob effekt hos den aktiva ytan på enzymet.

Veckningen av de långa aminosyrakedjorna till proteiner med en mycket bestämd form styrs till stor del av den hydrofoba effekten. Fel på en enda aminosyra i den långa sekvensen kan göra att proteinet inte får rätt form och därför inte fungerar som det ska i kroppen.

Den vanliga tvättmekanismen hos tvål, tvättmedel eller diskmedel är också ett resultat av den hydrofoba effekten. Fettpartiklar bakas in av de detergentmolekylerna vars opolära svansar löser sig i fettet med de polära huvudena pekande utåt mot vattenlösningen. Fettpartiklarna blir helt täckta av detergenten så att det liknar en ryamatta.

Termodynamik och hydrofob effekt

Inom termodynamiken finns två drivkrafter för kemiska förändringar. Det ena är strävan mot lägsta energi, det andra strävan mot högsta entropi.

Ett system går mot lägre energi när starka bindningar skapas. Exempel är vätebindningarna mellan vattenmolekylerna. Om bindningarna mellan vattenmolekylerna bryts, till exempel genom att andra molekyler lägger sig i vägen, så ökar systemets energi. Det krävs nämligen energi att sära på vattenmolekylerna. Detta går dock tvärtemot systemets tendens att minimera sin energi. Strävan mot minimering av energin gynnar den hydrofoba effekten.

Dock är det så att entropin, som kan beskrivas som graden av oordning, ökar när olika molekyler blandas. Den normala tendensen för system är att gå mot större oordning (högre entropi). Strävan mot ökad entropi motverkar därför den hydrofoba effekten.

Temperaturen är också en faktor som har betydelse. Ju varmare det är, desto häftigare är molekylrörelserna. Ju kraftigare molekylrörelserna är, desto större tendens är det att molekylerna ska blandas med varandra. Ökad temperatur medför därför minskad hydrofob effekt. Det går också att förklara med att när tillgången på energi är hög, så drivs systemet mot en högre energi.

Drivkraften bakom de kemiska reaktionerna kan sammanfattas med Gibbs energi, som också benämns fri entalpi:

ΔG = ΔH - T·ΔS, där

G = Gibbs energi (J)
H = entalpi (systemets inre energi + produkten p·V) (J)
S = entropi (J K–1)
T = absolut temperatur (K)
Δ anger en förändring av ...

Den spontana reaktionsriktningen är när ΔG < 0. Negativa värden på ΔH och positiva värden på ΔS garanterar spontan reaktionsriktning. Ökande temperatur T förstärker effekten av ΔS.

Ättiksyra

Ättiksyra är en organisk syra med två kolatomer och har formeln CH3COOH. Ibland skrivs på en förkortad form HAc, där Ac representerar acetatjonen CH3COO. Ättiksyran kallas också etansyra. Som alla organiska syror har molekylen den karaktäristiska gruppen –COOH.

Syran är svag med pKa = 4,76, vilket är det pH då syran har avgett 50 % av sina vätejoner. Även ganska koncentrerade lösningar av ättiksyra har därför ett pH-värde som måttligt lågt.

Ättiksyra bildas när etanol oxideras, till exempel om vin får stå öppet och utsättas för luftens syre. Vinäger bildas på detta sätt och är en gammal ingrediens i smaksättning av rätter.

Ättiksyra tillverkas vanligen syntetiskt genom reaktion mellan metanol och kolmonoxid, men kan också tillverkas med bakteriell fermentering, dvs. på biologisk väg.

En hel del ättiksyra används i hemmen för inläggningar och smaksättning, men större delen av ättiksyran som produceras används i den kemiska industrin för att tillverka estrar, speciellt vinylacetat-monomerer som sedan polymeriseras till plasten polyvinylacetat (PVA).

Ättiksyra i olika koncentrationer för olika ändamål

Ättika som säljs har olika koncentration beroende på vad den ska användas till. För olika recept kan man också späda ättikan till lämplig koncentration.

Isättika

Isättika är 100 % ättiksyra, i varje fall över 90 %. Isättika är frätande och luktar starkt. Den ska hanteras med försiktighet.

Namnet isättika kommer av att smältpunkten (= fryspunkten) för ren ättiksyra är 16,6 C, alltså strax under rumstemperatur.

Isättika fungerar som lösningsmedel för en del plaster. Till exempel brukade man skarva filmer på den tiden som filmerna byggde på ljuskänsliga silversalter på en celluloidbas. Celluloiden löstes upp av isättikan. Filmändarna lades samman och fick torka. Celluloiden smälte samman i en kemiskt homogen skarv.

Vanlig ättika

Vanlig ättika av märket Perstorp är 24 %-ig. Det finns dock andra fabrikat som säljer 12 % ättika. Ättikan hanteras med viss försiktighet. Den har en stark lukt. Ofta späder man ättika enligt anvisningarna i matrecepten.

Ättika är bakteriedödande. Till exempel kan man i samband med avfrostning av kylskåpet passa på att skölja av det invändigt med en lösning av lika delar ättika och vatten. Men se till att skölja efter med rent vatten så att resterna av ättika inte finns kvar och kanske påverkar plasten.

Ättika kan också användas för att ta bort kalkavlagringar på diskbänken eller i kaffebryggaren.

Ett recept för att avkalka kaffebryggaren är att blanda 1 dl 24 % ättika med 6 dl vatten i kaffebryggaren. Sätt på bryggaren så att hälften av lösningen passerar. Stäng av bryggaren i 10 minuter för att ättiksyran ska få verka. Sätt på den igen och låt resten av lösningen passera. Brygg därefter 3-4 omgångar med rent vatten.


Ättiksyra ger snabbt ärg av kopparacetat på en kopparslant.
Bild: Svante Åberg

Ättiksyra har en förmåga att snabbt ge grön ärg på koppar. Det räcker med ångorna från ättikan för att kopparen ska ärga inom några timmar. Föreningen som bildas är kopparacetat.

Ättiksyrans förmåga att korrodera koppar, men även andra metaller, gör att den bör användas med försiktighet i kontakt med till exempel elektronisk utrustning. Glöm inte att även ångorna av ättiksyra kan vara korrosiva.

Ättiksprit

Ättiksprit är 12 %. Den fungerar som vanlig ättika, men är hälften så koncentrerad.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 1 del vatten.

Ogräsättika

Ogräsättika är ofta 12 %.

Om du inte vill köpa särskild ogräsättika, så kan du själv blanda till ogräsättika av 1 del 24 % ättika + 1 del vatten.

Ättika dödar växter och kan användas som ogräsmedel. Spruta ättiklösningen på ogräset eller vattna med den, så dör ogräset inom 2-3 dagar. Eftersom ättiksyra avdunstar, så ska man inte använda det i växthus eftersom ångorna sprider sig även till växter man vill ha kvar.

Använd inte ogräsättika till matlagning eftersom du inte kan vara säker på att den inte innehåller andra tillsatser som ska döda ogräset.

Inläggningsättika

Inläggningsättika är vanligtvis 6 %.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 3 delar vatten.

Matättika

Matättika är vanligtvis 3 %.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 7 delar vatten.

Vinäger

Vinäger innehåller ättiksyra, men är inte bara ättika. Vinägern innehåller dessutom smakämnen från det vin eller den cider som den är framställd av.

Ättiksyra som lösningsmedel

Sammantaget har ättiksyran både polära och opolära egenskaper. Den kan därför lösa polära ämnen, såsom alkoholer, sockerarter och salter, men är även löslig i opolära lösningsmedel såsom kloroform och hexan.

Polära egenskaper

Ättiksyrans karboxylgrupp –COOH ger polära egenskaper, särskilt när syran dissocieras till acetat, Ac. Ättiksyran är en svag syra och i vattenlösning har vi följande jämvikt:

HAc + H2O ⇄ H3O+ + Ac

Jämvikten i vattenlösning förskjuts åt höger när ättiksyralösningen är utspädd. Då förekommer mera av syran i form av den korresponderande basen acetat, som är en negativ jon.

Opolära egenskaper

I en koncentrerad lösning är jämvikten förskjuten åt vänster, det vill säga syraformen, som är en oladdad molekyl. I sin syraform är de polära egenskaperna mindre framträdande. Till det bidrar kolvätegruppen –CH3.

För ättiksyra gäller att Ka = 1,75·10–5 M. Med lite räknande kan man få fram att för en lösning av 0,1 M ättiksyra så är bara 1,3% av ättiksyramolekylerna protolyserade.

Tunnskiktskromatografi

I tunnskiktskromatografi är det viktigt att hitta en eluent med rätt polaritet för att kunna ge rätt löslighet åt de provfläckar som ska vandra på tunnskiktsplattan. Ofta väljer man en blandning av kolväte + ester + organiskt syra. Ett typiskt recept kan innehålla hexan + etylacetat + ättiksyra + vatten.

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. Maurice Hanssen, E-nummerboken, (översättning från engelska)
  2. Tor Lif, Biokemi, 1989, Esselte Studium.
  3. B. Andersson, Sonesson, Stålhandske, Tullberg, Ryden, Gymnasiekemi, 1993, Liber.
  4. Beatrice Palm, Azofärgämnena i hetluften igen, Råd & Rön, Nr 1, januari 2008, Sveriges konsumenter.
  5. Välkommen till Bjärehalvön "Sveriges Toscana", Solsidan
    http://www.solsidan.nu (2003-01-13)
  6. Om att lösa och skilja, Experimentbanken
    http://experimentbanken.kc.lu.se/skilja/skilja.html (2003-01-13)
  7. Analytisk kemi, Curious
    http://www.curious.nu/KUNSKAP/KEMI/TEXTER/analytisk.html (2003-01-13)
  8. Informationsbrev 14 - November 1999, Kemilärarnas resurscentrum (KRC)
    http://www.krc.su.se/web/infobrev/filer/14_GyKomGr.pdf (2003-01-07)
  9. E-nummerlistan, Livsmedelsverket
    http://www.livsmedelssverige.org/markning/markning_enyckeln.htm (2003-01-28)
  10. Stains File, Stains File
    http://members.pgonline.com/~bryand/StainsFile/ (2003-01-07)
    • Dye Index
      http://members.pgonline.com/~bryand/StainsFile/dyes/dyes.htm (2003-01-07)
    • Azo Dyes
      http://members.pgonline.com/~bryand/StainsFile/dyes/class/clsazo.htm (2003-01-07)
    • Tartrazine
      http://members.pgonline.com/~bryand/StainsFile/dyes/19140.htm (2003-01-07)
  11. Dye Chemistry, Georgia State University
    http://www.gsu.edu/~mstnrhx/edsc84/dye.htm (2003-01-07)
  12. Certified Food Colors, Warner-Jenkinson
    http://sensient-tech.com/pdf/b_certifyfood_0497.pdf (2003-01-07)
  13. Food Colours by R. B. Exports, R.B. Exports
    http://www.rbexports.com/synth_prolist.htm (2003-01-07)
  14. Förteckningar över livsmedelsfärger (som ingår i M&M och Smarties)
    • Synthetic Colors, R.B. Exports
      http://www.rbexports.com/synth_prolist.htm (2003-01-07)
    • Lake Colors, Saujana Marketing
      http://saujanya.com/lake.htm (2003-01-07)
    • List of Primary Food Colours, Parshawanati Dyestuff Industries
      http://www.parshwadyes.com/foodcolour.htm (2003-01-07)
    • Primary Food Colors, S.M. International
      http://www.smfoodcolors.com/prod.htm (2003-01-07)
    • Food Additives, Univeristy of Jamaica, Mona Campus
      http://wwwchem.uwimona.edu.jm:1104/lectures/ecode.html (2003-01-07)
  15. Methods for Food Colors, JEFCA
    http://apps3.fao.org/jecfa/additive_specs/docs/t0368e/t0368e07.htm (2003-01-07)

Fler experiment


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
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

spektrum, ljus och färg
Blå himmel och röd solnedgång
Cyanotypi - den gammeldags blåkopian
Dokumentäkta bläck ur te
Ett lysande experiment - Kemiluminiscens
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Framkalla fotopapper
Färga ullgarn med svampar
Gör din egen limfärg
Klorofyllets röda fluorescens
Osynligt bläck
Pelargonens färg
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Se genom papper
Tillverka Falu rödfärg enligt gammalt recept
Tillverka fotopapper
Varför färgas textiler olika?
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten

vardagens kemi
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Bestäm CMC för diskmedel
Blev disken ren?
Coca-Cola vs Coca-Cola light
Den bästa bulldegen
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Diska med äggula
Eld - varför brinner det?
Eldprovet
Enzymaktivitet i ananas
Enzymer i Tvättmedel
Ett gammalt tvättmedel, del 1: Salt ur björkaska
Ett gammalt tvättmedel, del 2: Tvål ur saltet
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Framställ en detergent
Framställ låglaktosmjölk
Fruktköttet får solbränna
Färga ullgarn med svampar
Gore-Tex, materialet som andas
Gör din egen limfärg
Gör din egen tandkräm
Gör ditt eget läppcerat
Gör hårt vatten mjukt
Göra lim av kasein
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur gör man kakan porös?
Hur moget är äpplet?
Hur smakar salmiak?
Håller bubblan?
Karbidlampan
Kemi i en brustablett
Kemisk vattenrening
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Modellmassa av mjölk
Myggmedel - hur funkar det?
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Optiska Vitmedel
Osmos i ett ägg
Osynlig gas
Pektin och marmeladkokning
Pelargonens färg
Permanenta håret
Pulversläckare
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Skär sig majonnäsen?
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Superabsorbenter i blöjor
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Såpbubblor
Tillverka din egen deodorant
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka din egen tvål, del 1: Själva tvålen
Tillverka din egen tvål, del 2: Parfymera och färga tvålen
Tillverka ditt eget läppstift
Tillverka Falu rödfärg enligt gammalt recept
Tillverka papperslim
Tillverka rengöringskräm
Tvätta i hårt vatten
Utfällning av aluminium
Utvinna järn ur järnberikade flingor
Vad händer då något brinner?
Vad händer när degen jäser?
Vad innehåller mjölk?
Vad är det i saltet som smakar salt?
Vad är skillnaden mellan maskin- och handdiskmedel?
Varför färgas textiler olika?
Varför kan man steka i smör och olja men inte i lättprodukter?
Varför mörknar en banans skal?
Varför rostar järn och hur kan man förhindra det?
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Ägget i flaskan
Ärg på en kopparslant
Äta frusen potatis