Anden i flaskan

Tillhör kategori: jämvikt

Författare: Svante Åberg   Medverkande: Erika Persson, Jeanette Nilsson, Ann-Sofi Lindbäck

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

Frätande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Flaskan verkar ha en egen vilja. Innehållet ändrar färg när du skakar den. Vad kan det bero på?

Riktlinjer

Eftersom laborationen innehåller frätande ämnen så rekommenderas att experimentet utförs som demonstration av läraren.

Säkerhet

Natrium- eller kaliumhydroxid ska användas i experimentet. Båda är frätande, så stor försiktighet krävs vid demonstrationen. Skyddsglasögon ska bäras! Var speciellt försiktig med stänk i ögonen. Skölj genast ögat under rinnande vatten i åtminstone 5 minuter och kontakta sedan läkare.

Den överblivna lösningen kan hällas ut i vasken om man spolar rikligt med vatten. Var noga med att skölja ner allt spill av luten.

Materiel

Förarbete

När experimentet görs som demonstration kan det vara lämpligt att väga upp kemikalierna i förväg. Tänk på att inte blanda ihop de olika ämnena mer än 15 minuter innan demonstrationen eftersom lösningen inte är stabil hur länge som helst.

Utförande

  1. Tag 100 ml 0,5 M NaOH (eller lös 2 g NaOH i 100 ml vatten)
  2. Tillsätt och lös 3 g glukos
  3. Tillsätt metylenblått så att lösningen blir ordentligt blåfärgad, dvs cirka 10 droppar.
  4. Skruva på locket.
  5. Låt flaskan stå någon minut så att färgen försvinner, skaka sedan flaskan kraftigt.
  6. Upprepa tills druvsockret förbrukats.
    När syret i flaskan tar slut upphör färgomslagen. Öppna locket då och tryck några gånger på flaskan så att luft pumpas in och ut. Sedan kan du upprepa experimentet fler gånger.
Flaskan har nyss skakats. Det tar ett par minuter, sedan börjar färgen plötsligt blekna. Färgen är borta, men prova att skaka igen får du se!
Foto: © Svante Åberg

Förklaring

Metylenblått fungerar som en indikator för redoxtillståndet i lösningen. I oxiderande miljö är den blå, i reducerande miljö ofärgad.

När flaskan skakas kommer syre ned i lösningen och indikatorn blir blå av oxiderad metylenblått. Glukosen förbrukar sedan syre när den sakta oxideras. När syrehalten åter blivit låg så återtar metylenblått sin ofärgade form.

Så länge det är kvar glukos och syre kan experimentet upprepas.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Ett klassiskt experiment

Experimentet är mest känt under namnet "blue bottle". Det är ett klassiskt demonstrationsexperiment som förbluffar publiken.

Reaktionerna i experimentet

Reaktionskinetik

Experimentet är mycket lämpligt för att studera reaktionskinetik. Reaktionen är 1:a ordningens med avseende på både hydroxidjoner, metylenblått och glukos. Det innebär att reaktionshastigheten är proportionell mot halterna av var och en av dessa ingående reaktanter. Däremot är reaktionen av ordning 0 med avseende på syre, dvs. reaktionshastigheten är oberoende av halten löst syrgas. Halten syrgas påverkar bara hur länge reaktionen håller på.

Metylenblått fungerar som katalysator vid oxidationen av glukos

Indikatorn metylenblått genomgår en reversibel oxidation. I sin reducerade form är den ofärgad, men blir blå när den oxideras. Metylenblått är alltså en redoxindikator. Jämvikten mellan de två formerna är


När flaskan skakas löser sig syre i vattnet. Syret oxiderar metylenblått till sin blå form. Den metylenblått fungerar sedan som oxidationsmedel när den oxiderar glukos. Samtidigt reduceras den själv till den färglösa formen. Metylenblått utgör ett mellansteg i den reaktion där syret oxiderar glukosen. Metylenblått återbildas och därmed kan man säga att metylenblått fungerar som katalysator för oxidationen av glukos.

Tittar man noga ser man att lösningen fortfarande är blå i vätskeytan.
Foto: © Svante Åberg

Tittar man noga ser man att ytskiktet fortfarande är blått när bulklösningen avfärgats. Det beror på att syre sakta diffunderar från luften ned i vätskan. Syret hinner emellertid inte särskilt långt innan det förbrukas. Därför är det färgade ytskiktet så tunt.

Man kan upperpa försöket så länge det finns syre och glukos kvar. Metylenblått förbrukas inte och hydroxiden finns i stort överskott.

Lösningen måste vara färsk

Om flaskan får stå ett par dagar färgas lösningen brunröd och fungerar inte längre i experimentet.

En sak som har stor påverkan på resultatet är åldern på metylenblått, ju äldre den är desto sämre resultat. Det man bör tänka på är att förvara färgämnet i glasflaskor som antingen lindats in i aluminiumfolie eller att flaskan står i mörkret.

GDC: Partikeltänkande

I experimentet är den hastighetsbegränsande reaktionen den som sker mellan molekyler av hydroxid, metylenblått och glukos. Reaktion sker bara när molekylerna kolliderar med varandra. Om koncentrationen av t.ex. hydroxidjoner är hög, så blir det oftare kollisioner med hydroxidjoner. Det finns en direkt proportionalitet mellan halten av hydroxid och hur ofta metylenblått-molekyler och glukosmolekyler kolliderar med hydroxidmolekyler. Därför är reaktionshastigheten proportionell mot koncentrationen av hydroxid.

Samma resonemang gäller för halten av metylenblått respektive glukos. Nu är det emellertid så att även om reaktionshastigheten ökar med koncentrationen av metylenblått, så ökar även mängden metylenblått som ska avfärgas lika mycket. Där för är tiden för avfärgning av metylenblått oberoende av halten metylenblått. Men tiden för avfärgning är omvänt proportionell mot både halten av glukos och halten av hydroxid.

Det mesta av syret finns i luften ovanför lösningen i flaskan, bara en mindre del i själva lösningen. Eftersom metylenblått-molekylerna hela tiden återbildas och därför inte förbrukas och både hydroxidjon- och glukoskoncentrationen är hög, så är det alltid syret som tar slut först i lösningen. När det sker, så slår metylenblått om till ofärgad, eftersom den är en redoxindikator som är ofärgad i reducerande miljö. Glukos är ett reduktionsmedel, så överskottet av glukos bestämmer redoxpotentialen.

När flaskan lämnas i lugn och ro blir den alltså avfärgad. Men syrgasmolekylerna kan diffundera ned genom vätskeytan till lösningen. Samtidigt reagerar de och förbrukas. Därför når syret inte så långt ned i lösningen, utan den oxiderande miljön som syret skapar finns bara i skiktet närmast vätskeytan. Det är bara en tunn hinna som faktiskt är blå när flaskan får vila. Men nästa gång vi skakar flaskan blandar sig syret i hela vätskelösningen, och alltsammans blir blått igen.

Fördjupning

Redoxreaktion

Redoxreaktioner kan delas upp i delreaktionerna oxidation och reduktion.

Oxidation

Med oxidation menar man reaktioner där elektroner avges. Vid en oxidationsreaktion avges energi i de flesta fallen. Flera metaller kan reagera vid rumstemperatur med luftens syre till oxider. Exempel på detta är järn som oxideras av luftens syre och bildar då rost. Oxidationssteget är
Fe → Fe2+ + 2 e

Reduktion

Motsatsen till oxidation är reduktion. Reduktion innebär att elektroner tas upp. Exempel på en reduktion är när syreatomerna tar upp de elektroner som järnet avger när det rostar. Syreatomerna bildar negativa joner. Man säger då att syret har reducerats

O + 2e → O2–

Reduktion och oxidation sker samtidigt

Elektroner kan inte förkomma fria, de kan bara överföras från ett ämne till ett annat. När en reduktion sker, sker samtidigt en oxidation eftersom lika stort antal elektroner avges och tas upp. Vi kallar detta redoxreaktion. I exemplet med oxidation av järn och reduktion av syre balanseras de två delreaktionerna så att lika måna elektroner tas emot som de som avges och man får totalreaktionen

Fe + O → Fe2+ + O2–

Om vi tar hänsyn till att syrgas förekommer som molekyler och att järnjonerna och syrejonerna bildar föreningen FeO och dessutom anger aggregationsformen, så kan vi snygga till reaktionsformeln för totalreaktionen till

2 Fe(s) + O2(g) → 2 FeO(s)

Redoxreaktion vid kontakt mellan ämnena

Kontakt mellan reaktanterna

I en vanlig redoxreaktion sker elektronövergången i kontakt mellan ämnena som reagerar. Elektronen hoppar över direkt från molekylen (eller atomen) som oxideras till molekylen (eller atomen) som reduceras. Elektronhoppet kan bara ske över mycket korta avstånd och sker därför i samband med att partiklarna kolliderar. Därför sker oxidationen och reduktionen på samma plats.

Elektroner förekommer inte fria i ämnen

Anledningen till att elektronöverföringen sker i direktkontakt mellan ämnena är att elektroner inte kan förekomma fria i ett material eller en lösning. De binder alltid till de atomer eller molekyler som finns i närheten. I icke-metalliska material är elektronens position vanligen fixerad till en bestämd molekyl eller atom.

Däremot är elektronerna fritt rörliga i metalliska material. De kan dock inte lämna metallen, bara röra sig inom metallen. När elektronerna rör sig förbi atomerna i metallgittret handlar det inte om elektronöverföring. I stället har metallen ett enda stort elektronmoln av ledningselektroner som är gemensamma för hela metallkristallen.

Det finns också halvledande material som med viss ledningsförmåga, men där elektronerna i huvudsak är fixerade i vissa positioner.

Glukos

Glukos ger snabb energi

Glukos är en enkel sockerart som är energirik och som är lättillgänglig för kroppens muskler. Även hjärnan kan behöva snabb energi, och då är glukosen bra. Ett annat namn för glukos är druvsocker. Det finns att köpa i ren form och för den som snabbt måste återhämta sig och vinna nya krafter är en dryck med druvsocker ett bra sätt.

Men normalt kommer glukosen från nedbrytning av kolhydrater i maten som vi äter. Kolhydraterna är vanligen i form av stärkelse, som ju är en polysackarid uppbyggd av många sammankopplade glukosenheter. Även om nedbrytningen av kolhydraterna tar lite tid, så går det förhållandevis snabbt. Bland annat vitt bröd innehåller mycket stärkelse som snabbt bryts ned. Om inte kroppen är i behov av ett snabbt energitillskott, så är det bättre att äta "långsamma kolhydrater", t.ex. grovt bröd, bönor och råris. Ett mått på hur snabbt kolhydraterna ger ökning av glukoshalten i blodet är glykemiskt index, benämnt GI. Om GI är lågt, så är också glukoshalten i blodet stabilare, vilket är bra.

Vid diareer och andra sjukdomstillstånd som ger stora vätskeförluster behöver man ge vätskeersättning till patienterna. Rekommenderat innehåll i vätskeersättningen är förutom vatten även löst natriumklorid, natriumcitrat, kaliumklorid och glukos. Dels ersätter man förlust av salter, men man tillför även snabbt tillgänglig energi som förbättrar patienternas tillstånd.

Växterna tillverkar stärkelse

Den glukos som vår kropp behöver får vi till största delen i oss från växter i form av stärkelse. Växterna bygger upp glukosen från koldioxid och vatten, d.v.s. från de produkter som bildas när vi förbränner glukos i vår kropp. Med hjälp av energi från solen kan växterna med hjälp av fotosyntesen bygga upp kolhydrater som sedan växter och djur förbränner i sina celler för att få energi (i respirationen). Förbränningen av glukos i vår kropp är alltså den motsatta reaktionen till växternas syntes av glukosen.

Fotosyntesen, energiuppbyggnad i gröna växter:
6 CO2 + 6 H2O + solenergi → C6H12O6 + 6 O2

Respirationen, energiutvinning från glukos:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energi

Kemisk uppbyggnad av glukos

Glukos har summaformeln C6H12O6 och är en kolhydrat. Kolhydrater kan delas in i tre grupper: enkla sockerarter/monosackarider, sammansatta sockerarter/oligosackarider och polysackarider. Glukos är en monosackarid. Monosackarider innehåller flera OH-grupper (kallas även hydroxylgrupp eller hydroxigrupp), vilket gör att de är lättlösliga i vatten. Monosackariderna innehåller också förutom flera OH-grupper också en ketogrupp eller en aldehydgrupp. Monosackariderna som innehåller en aldehydgrupp är reducerande ämnen liksom alla aldehyder. Också monosackarider med en ketogrupp är reducerande i detta fall vilket inte i vanliga fall gäller för ketogrupper.

Det finns tre molekylformer av glukos: en icke-cyklisk form (aldehydform) och två 6-ledade cykliska former (pyranosform). Det som skiljer de två cykliska formerna åt är åt vilket håll OH-gruppen är vinklad.

Optisk aktivitet

Glukos har förmågan att vrida polariserat ljus. Det beror på att det finns kolatomer som är optiska centra. En kolatom blir optiskt centrum när de fyra grupper som binds till kolatomen alla är olika. Att alla fyra grupper är olika är en förutsättning för att det ska finnas en spegelvänd höger- och vänsterform av molekylen. En sådan atom som omges av fyra olika grupper sägs vara kiral.

Ju mer glukos som finns i en lösning, desto större vinkel vrids det planpolariserade ljuset. Genom att mäta hur mycket ljuset vrids när det passerar genom en glukoslösning så kan man beräkna hur mycket glukos det innehåller. Det förutsätter dock att lösningen bara innehåller den ena formen av glukos. Glukos finns både i den naturligt förekommande D-formen och i den spegelvända L-formen. Lösningar som innehåller en blandning av båda formerna sägs vara racemiska.

mer material på avancerad nivå kommer

Metylenblått

Metylenblått, som även kallas metyltioniniumklorid, är ett färgämne som består av mörkgröna eller mörkblå kristaller. När det löses i vatten bildas en starkt blåfärgad lösning.

Metylenblått är ett kraftigt färgämne som används inom medicinen för att färga celler i vävnader så att de blir tydligare i mikroskopering. Olika vävnader tar upp färgen i olika grad, vilket gör att man kan skilja celltyperna åt.

Metylenblått förekommer i en blå oxiderad form och en ofärgad reducerad form. Det gör ämnet lämpligt som indikator i redoxreaktioner.

Dessutom har metylenblått diverse medicinska effekter, men också biverkningar.

Ett partytrick, som dock är att spela lotteri med hälsan, är att blanda metylenblått i drinkar. Färgämnet utsöndras sedan i urinen som blir grönblå. Det kan vara lockande att testa sådant, men utsätt aldrig någonsin en annan person för sådana experiment. Du kan skada honom eller henne för livet när du inte vet vad du egentligen håller på med!

Redoxindikator

Metylenblått genomgår en reversibel oxidation. I sin reducerade form (leukometylenblå) är den ofärgad, men blir blå när den oxideras. Metylenblått är alltså en redoxindikator, ett ämne som visar om den kemiska miljön är övervägande oxiderande eller reducerande. Jämvikten mellan de två formerna är

Medicinsk effekt

Det finns ett medicinskt tillstånd kallat methemoglobinemi då det tvåvärda järnet, Fe2+, i blodet oxiderats till trevärt järn, Fe3+ så att methemoglobin bildas. Det leder till att blodet får svårt att lämna ifrån sig syrgas till vävnaderna eftersom det trevärda järnet binder syret hårdare till sig. Patienten drabbas av en blåbrun cyanos, "chokladcyanos". Det är normalt att cirka 2 % av järnet i blodet är i oxiderad form, men vid methemoglobinemi är andelen trevärt järn över 15 %.

Genom att injicera metylenblått i blodet kan methemoglobinemi motverkas. Metylenblått har flera negativa biverkningar, men methemoglobinemi är trots allt ett allvarligare tillstånd. Metylenblått i blodet utsöndras sedan via urinen och ger urinen en grönblå färg.

Metylenblått har tidigare också använts för att motverka svampinfektioner hos akvariefiskar.

Färgning av biologiska vävnader

Metylenblått är besläktat med anilin och är ett tiazinfärgämne. Det används för att färga vissa vävnader i kroppen så att de vid mikroskopering kan skiljas från andra typer av celler.

På liknande sätt används metylenblått för infärgning i bakteriologiska undersökningar. Det binder till nukleinsyran i bakterierna.

Det används också för att färga DNA och RNA vid kemiska analyser då DNA- eller RNA-fragment får vandra i en gel på vilken man genomför gelelektrofores.

Kemisk analys av anjoniska tensider i vatten

I en kolorimetrisk analys kan man detektera anjoniska tensider i vattenprover genom att surgöra provet, tillsätta metylenblått och kloroform. Metylenblått är en en katjon, dvs. positivt laddad. Den bildar jonpar med den anjoniska tensiden, som är negativt laddad. Jonparet blir då totalt sett oladdat och kan extraheras över till den opolära kloroformfasen. Sedan mäter man styrkan hos färgen i kloroformfasen och får ett mått på innehållet av de anjoniska tensiderna. Analysen kallas MBAS assay (methylene blue active substances assay).

Natriumhydroxid

Egenskaper

Natriumhydroxid, NaOH, är ett vitt, fast salt som är lättlösligt i vatten. Upplösningen sker under kraftig värmeutveckling. Om tillsatsen av fast natriumhydroxid är stor kan värmeutvecklingen bli så kraftig att det finns risk att bränna sig. Natriumhydroxid innehåller den starka basen OH och är frätande både i vattenlösning och i fast form. Eftersom den är lättlöslig kan man få lösningar med mycket stark basisk reaktion.

Ibland kallas natriumhydroxiden för "kaustik soda" vilket betyder "frätande soda". Sodan anger att ämnet är basiskt. Benämningen "kaustik" används för att skilja natriumhydroxiden från vanlig soda som är natriumkarbonat, Na2CO3. Ytterligare ett namn på natriumhydroxid är "natronlut". Då man köper natriumhydroxid får man det ofta i formen flingor eller små pastiller.

Hälsorisker

Den starkt basiska hydroxiden denaturerar och bryter ned proteiner. Speciellt utsatt är man för stänk i ögat. Ögat är nämligen fullt med proteiner som koagulerar och bildar en vit massa, som äggvitan i ett kokt ägg. Det är därför viktigt med glasögon när du arbetar med natriumhydroxid. Om du ändå skulle få stänk i ögat måste du omedelbart spola ögat rikligt med rinnande vatten och fortsätta skölja länge. Ring läkare och be om råd när du har spolat ögat i några minuter, eller ännu bättre - be någon hjälpa ringa dig medan du fortsätter spola. Sedan måste du besöka läkare för kontroll och eventuell behandling.

Stänk på huden är visserligen frätande, men inte farliga på samma sätt. Huden är tjock och släpper inte igenom luten. Om du sköljer omgående, så klarar du dig sannolikt utan skador. Stänk på kläder, arbetsbänkar och liknande ska sköljas och torkas bort på en gång, så att det inte blir bortglömt. Annars kan någon ovetande komma i kontakt med hydroxiden och kanske gnugga sig i ögat.

Koncentrationen har betydelse

Hydroxidens frätande förmåga är har direkt samband med koncentrationen. En vanlig förrådslöning med NaOH är ofta 2 molar (2 M, 2 mol/dm3). Den är kraftigt frätande och ska behandlas med stor försiktighet. En NaOH-lösning på lab som är 0,1 mol/dm3 är inte alls lika farlig, men ändå ganska stark. Om koncentrationen är 0,010 mol/dm3, så kan NaOH-lösningen betraktas som relativt ofarlig, men ändå riskabel att få stänk av i ögonen. Är den bara 1 millimolar, dvs. 0,001 mol/dm3, så är NaOH-lösningen tämligen harmlös, för då är den 2000 gånger mer utspädd än förrådslösningen som var 2 mol/dm3.

Hydroxidjonen liknar fluoridjonen

Hydroxidjonen OH och fluoridjonen F har samma laddning och är lika stora. Det innebär att de ofta är utbytbara.

Tandemalj innehåller ämnet hydroxidapatit, Ca5(PO4)3OH, där hydroxidjonen ingår. Hydroxidjonen som ingår i tandemaljen är en stark bas som lätt reagerar med syra som produceras av bakterier i munnen. Det leder till att tandemaljen löses upp. Men om man ersätter hydroxidjonerna med fluoridjoner så att det i stället bildas fluoridapatit, Ca5(PO4)3F, så minskar känsligheten för syra. Fluoridjonen är en mycket svagare bas än hydroxidjonen. Därför reagerar den inte lika lätt med syra och då är också tandemaljen mindre känslig för syra.

Ytterligare ett exempel på likheten är mätning med jonselektiv elektrod avsedd för bestämning av fluoridhalten. I en starkt basisk lösning är hydroxidhalten hög och på grund av likheten med fluoridjoner ger hydroxidjonerna också utslag med den fluoridselektiva elektroden. Man får en så kallad interferens från hydroxid i fluoridmätningen och resultatet blir en överskattning av fluoridhalten i lösningen.

mer material på avancerad nivå kommer

Diffusion i lösning

Partiklarna rör sig slumpmässigt och spridds ut i hela volymen

Diffusion är ett resultat av partiklars slumpmässiga rörelser och leder till att partiklar sprids. Om det finns en hög koncentration av partiklar i ett område, så tenderar de att spridas till omgivningen. Det innebär att diffusionsriktningen går från områden med högre koncentration till områden med lägre koncentration. Det leder till att skillnaderna i koncentration utjämnas.

Koncentrationsgradienten påverkar diffusionshastigheten

En faktor som påverkar diffusionens hastighet är koncentrationsgradienten. Ju snabbare koncentrationen avtar i en riktning, desto snabbare blir masstransporten hos diffusionen. Det är en statistisk effekt, ett resultat av sannolikheter. Tänk dig att du har två rum med en dörr emellan. Ena rummet är fullpackat med folk, det andra är nästan tomt. Rent slumpmässigt så bestämmer sig en person av 10 att gå över till det andra rummet. Det är då många fler som lämnar det fullpackade rummet och går över till det nästan tomma än tvärtom, helt enkelt för att det inte är så många som kan gå åt motsatt håll.

Högre temperatur ger snabbare diffusion

De slumpmässiga rörelserna är i själva verket termiska rörelser, dvs. värmerörelser som beror på temperaturen. Högre värme innebär snabbare rörelser med större rörelseenergi. De snabbare rörelserna vid högre temperatur medför också att diffusionen blir snabbare.

Längre fri sträcka mellan kollisionerna ger snabbare diffusion

En partikel som kan röra sig långa sträckor innan den kolliderar och byter riktning, kan förflytta sig snabbt från en plats till en annan. I en gas är det långt mellan partiklarna. Därför är diffusionen i gaser snabb.

Men i vätskor är det mycket trångt om utrymmet, så partiklarna kolliderar i stort sett omgående när de rör sig. De byter därför riktning väldigt ofta. Det leder till att partiklarna inte förflyttar sig så snabbt från startpunkten. Diffusionshastigheten är därför väldigt mycket långsammare i vätskor än i gaser.

Diffusionen är snabb över korta sträckor, men långsam över längre avstånd

Ju längre sträcka en partikel ska förflytta sig, desto fler kollisioner som gör att den byter riktning kommer den att råka ut för. Eftersom många av kollisionerna får partikeln att röra sig åt fel håll, så saktar det ned den effektiva sträckan "fågelvägen" som faktiska tillryggläggs. Man kan visa både teoretiskt och experimentellt att diffusionssträckan är proportionell mot kvadratroten ut tiden. Det innebär till exempel att för att färdas en sträcka som är 10 gånger så lång, så måste diffusionen pågå 100 gånger så lång tid.

Indikatorn metylenblått visar hur syret från luften har träng ned i ett tunt ytskikt i vattenlösningen.
Foto: © Svante Åberg

Diffusionen i gränsskikt ger bara ett tunt lager

Den kombinerade effekten av att diffusion är relativt sett långsam i vätskor och att hastigheten snabbt avtar med avståndet gör att diffusionen i en vätskeyta inte tränger så djupt ned, utan är effektiv bara nära ytan. Om vatten syresätts från luften, så är det bara några millimeter i vattenytan som får effektiv syresättning inom några minuter. För att det syresatta vattnet ska tränga djupare ned krävs andra processer såsom konvektion, dvs. att hela vattenmassan strömmar och för med sig syret.

Innebörden av diffusionshastighet

Observera att när vi talar om diffusionshastighet, så är det inte hastigheten hos de enskilda partiklarna som avses, utan hur många partiklar per sekund som förflyttar sig en given sträcka i en viss riktning. Diffusionshastigheten blir hög främst därför att det är många partiklar som rör sig samordnat i en riktning. Att de enskilda partiklarna rör sig snabbt hjälper till, men är bara en del av förklaringen till diffusionshastigheten.

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

Le Chateliers princip

Henri Le Chatelier var en fransk kemist under senare delen av 1800-talet. Han arbetade som gruvingenjör i franska statens tjänst och blev så småningom professor, därefter ledamot i både Franska vetenskapsakademin och utländsk ledamot i svenska Vetenskapsakademien. Bland annat genomförde han studier över kemisk jämvikt. Han kom då fram till den princip som bär hans namn:

Om ett kemiskt system, där jämvikt råder, påverkas av en förändring i koncentration, temperatur eller totaltryck, kommer jämvikten att ändras så att förändringen motverkas.

Den kemiska jämvikten gör alltså motstånd mot förändringar, men kompenserar inte helt för den yttre påverkan som systemet utsatts för. Om till exempel etanol ingår som ett reagerande ämne i en jämvikt, och vi tillsätter mera etanol, så kommer reaktionen efter störningen av förbruka etanol. Men det blir inte riktigt hela tillsatsen av etanol som förbrukas, utan halten etanol i blandningen kommer faktiskt att vara lite högre sedan den nya jämvikten har ställt in sig.

Exempel på tillämpning av Le Chateliers princip

Estrar är väldoftande ämnen som kan framställas genom att låta alkohol och syra reagera med varandra så att ester och vatten bildas.

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Esterjämvikten är inte så starkt förskjuten åt höger. För att driva jämvikten hårdare åt höger kan man ta bort vatten som bildats. Det kan ske genom att man tillsätter torkmedel av till exempel vattenfri natriumsulfat. Natriumsulfatet binder upp vattnet så att det inte längre är tillgängligt i esterjämvikten.

Det vatten som tas bort ersätts, enligt Le Chateliers princip, genom att reaktionen går åt höger. Det innebär att ester bildas, samtidigt som alkohol och syra förbrukas. Det nya vatten som bildas tas också upp av torkmedlet, så reaktionen kan fortsätta ytterligare åt höger så att ännu mer ester bildas.

Estrar är opolära ämnen som är olösliga i vatten. Estern flyter därför som ett skikt ovan på vattenlösningen. Däremot är alkoholen och syran vattenlöslig. När man är nöjd med reaktionen, så kan skiktet av ester på ytan dekanteras av och man får ester i ganska ren form.

Exempel med bildning av ammoniak ur kvävgas och vätgas

Ett exempel är reaktionen när kvävgas reagerar med vätgas till ammoniakgas i den så kallade Haberprocessen:

N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g) + 92 kJ

Detta är en jämvikt mellan ämnen i gasform där vi har 4 delar gas i vänsterledet och 2 delar gas i högerledet. Reaktionen åt höger halverar antalet mol gas, vilket ger minskat gastryck om volymen hålls konstant. Reaktionen åt höger är exoterm, vilket innebär att inneboende energi hos ämnena avges och ombildas till värme.

Vi ska nu tillämpa Le Chateliers princip på denna jämvikt med några olika fall. Utgångspunkten är att systemet är i jämvikt. Därefter rubbar jämvikten på något sätt. Sedan förutsäger åt vilket håll reaktionen kommer att ske.

Tillförsel av kvävgas eller vätgas

I reaktionsformeln finns kvävgas och vätgas i vänsterledet. Om vi pumpar in mer kvävgas eller vätgas, så blir det "för mycket" kvävgas/vätgas i vänster led i förhållande till jämviktsläget. Reaktionen kommer att gå åt höger så att kvävgas och vätgas förbrukas. Det leder till att det bildas ammoniak. Dessutom avges värme, vilket gör att temperaturen höjs i systemet.

Tillförsel av ammoniak

Om vi pumpar in ammoniak blir det "för mycket" ammoniak i högerledet. Reaktionen sker då åt vänster så att mängden ammoniak minskar och det bildas mera kvävgas och vätgas. Reaktionen är endoterm, det vill säga den förbrukar energi. Därför sjunker temperaturen.

Bortförsel av ammoniak

Om vi på något sätt kan ta bort ammoniak från reaktionsblandningen, till exempel med en reaktion som binder upp ammoniakgas så att den inte kan delta i jämvikten längre, så blir det "för lite" ammoniak i högerledet. Det leder till att reaktion sker åt höger för att ersätta ammoniak som försvunnit. Kvävgas och vätgas förbrukas så att mängden av dem minskar. Reaktionen åt höger är exoterm, vilket leder till att temperaturen ökar.

Vi värmer reaktionsblandningen

Genom att värma reaktionsblandningen kan vi öka dess temperatur. Enligt Le Chateliers princip reagerar då systemet för att motverka temperaturökningen. Reaktionen sker då i endoterm riktning, det vill säga åt vänster. Det medför att ammoniak förbrukas och det bildas kvävgas och vätgas.

Ökning av trycket genom att minska volymen

Detta är en gasjämvikt, vilket innebär att systemet är känsligt för ändringar i volymen. Gaskoncentrationen ökar när vi komprimerar gasen genom att minska volymen.

Detta leder till en ökning av gastrycket. Systemet reagerar genom att motverka tryckökningen. Eftersom det är 4 delar gas i vänsterledet, men bara 2 delar gas i högerledet, så leder en reaktion åt höger till att gastrycket minskar. Minskningen av volymen gör därför att kvävgas och vätgas förbrukas och ammoniak bildas. Samtidigt är reaktionen åt höger exoterm, vilket gör att temperaturen ökar.

Minskning av trycket genom att öka volymen

Detta är motsatsen till föregående fall. När volymen ökar, så minskar gastrycket. Systemet motverkar tryckminskningen genom att reaktionen sker åt vänster så att antalet mol gas ökar. Reaktionen åt vänster är endoterm, vilket ger sänkt temperatur.

Den nya jämvikten som ställer in sig

Även om systemet motverkar den rubbning av systemet som vi orsakade, så kan systemet inte fullt ut kompensera för den påverkan som vi orsakade.

Om vi till exempel pumpar in extra kvävgas, så sker reaktionen åt höger så att kvävgas förbrukas. Men koncentrationen kvävgas, sedan den nya jämvikten ställt in sig, kommer inte att återgå helt till den koncentration som rådde vid den ursprungliga jämvikten, utan det blir kvar en rest av den påverkan som vi skapade. Därför är koncentrationen av kvävgas aningen högre i den nya jämvikten.

Detta kompenseras av att koncentrationen av vätgas är något lägre i den nya jämvikten än i den ursprungliga. På motsvarande sätt blir koncentrationen av ammoniak något högre i den nya jämvikten, än i den ursprungliga.

Inverkan av trycket

Det som styr jämvikten, vad gäller de ingående ämnena, är ämnenas koncentrationer. Jämviktens läge har att göra med reaktionshastigheten åt höger i jämförelse med reaktionshastigheten åt vänster. Eftersom kemisk reaktion sker i samband med att partiklar kolliderar, så är hastigheten koncentrationsberoende. Högre koncentration, ger högre hastighet.

Det är bara gaser som påverkas av trycket. Det beror på att gaser komprimeras av ett högre tryck, men vätskor och fasta ämnen är nästan inte alls komprimerbara. Därför är effekten av tryck på jämvikten bara något som man behöver ta hänsyn till när man har gaser i systemet.

Exempelvis påverkas inte jämvikten mellan fast och löst natriumklorid av trycket.

NaCl(s) ⇄ Na+(aq) + Cl(aq)

NaCl(s) är ett fast ämne vars volym inte ändras märkbart vid ändrat tryck. Natriumjonerna och kloridjonerna i vattenlösning påverkas inte heller eftersom vattenvolymen inte påverkas av trycket, i varje fall inte så länge som vattnet är i vätskeform.

Fysikaliska reaktioner

Le Chateliers princip är utformad för kemiska jämvikter. Principen fungerar dock i princip även för fysikaliska förändringar, till exempel övergångar mellan olika aggregationsformer.

För fysikaliska förändringar blir dock bilden rätt komplicerad när man behöver ta hänsyn till att mekaniskt arbete utförs, till exempel när gaser expanderar. Även temperaturförändringar vid adiabatisk expansion eller kompression inverkar. Då är vi inne på termodynamik, vilket vi inte tar upp närmare just nu.

Litteratur

  1. Blue bottle experiment, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Blue_bottle_experiment (2016-11-22)
  2. Campbell, J. A. (1963). Reaction of oxygen with dextrose. Vol. 40, p 578, J. Chem. Ed.
  3. Blue bottle experiment, Flinn Scientific
    https://www.flinnsci.com/blue-bottle-experiment/dc91536/ (2016-11-22)
  4. The 'blue bottle' experiment, Royal Society of Chemistry
    http://www.rsc.org/learn-chemistry/resource/download/res00002039/cmp00000807/pdf (2016-11-22)
  5. The ‘blue bottle’ experiment, Royal Society of Chemistry
    http://www.rsc.org/learn-chemistry/resource/res00000729/the-blue-bottle-experiment?cmpid=CMP00005928 (2016-11-22)
  6. Blue Bottle Experiment (YouTube), Flinn Scientific
    https://www.youtube.com/watch?v=mxuJ8IOHAlk (2016-04-15)
  7. The Blue Bottle Demonstration, George Bodner, Purdue University
    http://chemed.chem.purdue.edu/demos/demosheets/19.1.html (2016-04-15)
  8. The Photochemical Blue Bottle Demonstration, George Bodner, Purdue University
    http://chemed.chem.purdue.edu/demos/demosheets/19.3.html (2016-04-15)
  9. Staining, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Staining (2017-03-09)
  10. Methemoglobinemia, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Methemoglobinemia (2017-03-09)
  11. Methemoglobin, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Methemoglobin (2017-03-09)
  12. MBAS assay, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/MBAS_assay (2017-03-09)

Fler experiment


jämvikt
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
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