Pelargonens färg

Tillhör kategori: spektrum, ljus och färg, syror och baser, urval experiment under revidering, vardagens kemi

Författare: Knut Rang

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

Pelargonens färg

Frätande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 30 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Färgämnet pelargonin som finns i den röda pelargonens kronblad kan extraheras. Då blir det lätt att undersöka pigmentet. Men färgen kan ändra sig [1].

Riktlinjer

Experimentet kan utföras som ett demonstrationsförsök på overhead-apparat eller som ett elevförsök.

Säkerhet

Syror och baser är skadliga för ögonen och fräter på textilier. Använd därför skyddsglasögon och förkläde.

Överblivna lösningar spolas ut i avloppet tillsammans med rinnande vatten.

Materiel

Pelargonia med röd blomma
Foto: © Svante Åberg

Förarbete

Inget förarbete.

Utförande

OH-projektor används
Foto: © Svante Åberg

Som demonstration

  1. Lägg pelargonens kronblad i en bägare.
  2. Tillsätt ungefär 40 ml etanol.
  3. Använd skeden för att föra ned blombladen i alkoholen så att de hamnar under ytan.
  4. När blombladen blivit avfärgade fördelas den erhållna lösningen i de tre petriskålarna som ställs på OH-projektorn.
  5. Notera färgen på alkohollösningen och på blombladen efter extraktionen med alkohol.
  6. Droppa utspädd saltsyra i den ena av petriskålarna och observera färgen. Rör eventuellt om lite.
  7. Droppa utspädd natriumhydroxid i den andra petriskålarna och observera färgen. Rör eventuellt om lite.

Som elevförsök

Utför experimentet på samma sätt som vid demonstrationen, men ställ petriskålarna på ett vitt papper i stället för AV-projektorn.

Förklaring

Etanol är ett polärt lösningsmedel som förmår lösa pelargonin enligt regeln "lika löser lika". Pelargonin är nämligen också ett polärt ämne. Att lösa ut färgämnete på detta sägg kallas för att "extrahera" det.

Pelargonin är en molekyl som påverkas kemiskt av olika surhetsgrader. Den ändrar samtidigt färg. [1] Därför kan pelargonin fungera som pH-indikator. [3]

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Pigmentet finns i flera blommor

Pelargonin är ett djupt mörkviolett färgämne. Det har fått sitt namn tack vare att det finns i pelargoners blomdelar. Även andra växters blommor, såsom dahlior, äger dess vackra färg [4,5].

Pelargoner

Pelargoner är ett släkte näveväxter. I naturen förekommer de flesta av världens cirka 250 pelargonarter i södra Afrika. Svenska pelargoner är prydnadsväxter. Vi har sådana som kan utplanteras på friland under sommaren som t. ex. Zonpelargonen. En del andra av våra pelargoner lämpar sig uteslutande som rumsväxter,t.ex. Engelsk pelargon. Pelargoners blommor är vita, skära, röda eller orange [4,6].

Kemisk systematik

Pelargonin tillhör en grupp likartade substanser, vilka förekommer i växters anatomiska huvuddelar i en stor del av växtriket. De benämnes anthocyaniner och är glykosider ur kemisk synpunkt. Det senare innebär att de kan spaltas i ett kolhydrat och ett eller flera andra ämnen. Avspjälkas sockerkomponenten i en glykosid återstår en s.k. aglykon (icke-socker). Denna är färgad i rött eller blått och benämns anthocyanidin [7,8,9].

Antocyanidinernas struktur
Bild: © Svante Åberg

Aglykonen i pelargonin är en s.k. pelargonidin. Det kan nämnas att anthocyanidiner indelas i tre huvudgrupper: pelargonidiner, cyanidiner och delphinidiner [10,11]. Strukturformlerna ser du ovan. Man ser på strukturformlerna att det är hydroxylgrupperna som skiljer molekylerna åt [10].

Pelargonidinets syrabasjämvikt
Bild: © Svante Åberg

Pelargonidinets syra-basjämvikt

Omslagspunkten för färgen anges av ett pH-värde. Det varierar hos olika pelargonodiner [10]. Pelargonins höga löslighet i vatten beror på att dess molekyl innehåller hydroxylgrupper och socker [10].

Pelargonin är en glykosid. Dess glykosidbindning kan spjälkas genom hydrolys eller med hjälp av ett enzym [10].

Botaniska aspekter

Ett och samma antocyanin kan ha olika färg i olika blommor, vilket är fallet hos rosor och blåklint [10,11,6]. I en ros är antocyaninet bundet till en växtsyra och är därför rött. I blåklint är samma antocyanin bundet till en bas och är följaktligen blått [12,13]. Namnet på detta färgämne är cyanin. På liknande vis kan blåklockans blomma få röd färg när plantan växer i den sura marken intill en myrstack.

Antocyaniner förekommer också i växternas gröna blad. De lösta i cellsaften i bladcellernas vakuoler [11,14,15]. De färgar bladen i rött, orange och purpur, efter det att bladens klorofyll sönder fallit under höstens dagar och nätter [16,17,18].

Aktuella forskningsresultat

I den moderna fysikalisk-organiska kemin har antocyaniner undersökts med tunnskiktskromatografi [19,20] och UV-spektroskopi [21,22].

Antocyaniners nedärvning mellan växternas generationer har studerats i växtgenetiken [23,24,25,26].

Livsmedelstillsatser

Antocyaniner motverkar kemisk oxidation och benämnas antioxidanter [27]. De används i stor skala som tillsatser i livsmedel t ex. torkad frukt, dressing och margarin. Därmed erhåller de senare tilltalande färg. Samtidigt förhindras de att undergå förändringar genom oxidativa processer. I livsmedel används även andra antioxidanter såsom L-askorbinsyra (C-vitamin) och α-tokoferol (E-vitamin).

Fördjupning

Antocyaniner

Antocyaninerna är pigment som skyddar växterna från UV-strålning. Produktionen av klorofyll och vax har inte kommit igång hos unga plantor, därför ökar produktionen av antocyaniner för att skydda dem. Antocyaniner bildas i de yttre lagren av epidermis och därför lyckas de skydda växten från DNA skador i cellerna under epidermis.

Antocyaniner är antioxidanter

Antocyaninerna är antioxidanter. Man anser därför att de är nyttiga och tror att de kan skydda mot fria radikaler i cellerna. Fria radikaler är mycket reaktiva och kan skada bland annat DNA. De fria radikalerna kan uppstå när växterna är stressade av till exempel överexponering för UV-ljus.

Antocyaniner finns i naturen

Antocyaniner orsakar de flesta röda, violetta och blå färgerna i naturen. Till exempel finns de i

Ofta förekommer flera antocyaniner tillsammans. I blåbär hittar man 16 olika varianter varav några är

Växtpigment kan vara antocyaninkomplex

I växterna förekommer anthocyaninerna tillsammans med anjonerna av organiska syror och färgen bestäms av surhetsgraden i cellvätskorna. Anthocyaniner komplexbinder metaller såsom järn och aluminium.

Sådana komplex återfinns i blå blommor, såsom blåklint. Det finns en artikel i New Scientist om färgen hos blåklint. Man insåg till slut att antocyaninerna i växten är sammanslagna i grupper som bildar stora supermolekyler. Figuren nedan visar succinylcyanin och malonylflavon, som båda finns i blåklint.

Succinylcyanin och malonylflavon
Ett par färgämnen i blåklint som ger blomman dess blå färg.
Bild: Svante Åberg
Höstens färger bildas

På hösten reagerar socker och flavonoler till anthocyaniner samtidigt som klorofyllerna bryts ned. Anthocyaninernas färger blir därmed synliga. Soliga höstdagar med kalla nätter gynnar uppkomsten av höstens färgprakt.


Absorptionsspektrum för en antocyanin (grön linje).
"Superposition of spectra of chlorophyll a and b with oenin (malvidin 3O glucoside), a typical anthocyanin" av NotWith, (CC BY-SA 3.0)

Klorofyll a och b absorberar solstrålningens blå och röda ljus, men inte i det gröna våglängdsområdet. Det är därför som bladen är gröna.

Antocyaninernas färg med nyanser mellan röd och violett är komplementfärg till grönt. Det visar att antocyaninerna absorberar det gröna ljuset från solen. De fyller därför ut luckan i absorptionsspektrum för pigmenten i bladen.

Under sommaren är klorofyllet så dominerande att antocyaninerna inte märks, men när hösten kommer bryts klorofyllet ned samtidigt som det bildas mera antocyanin. Därför övergår bladens färger i rött, ibland med en dragning åt violett.

Laborativt arbete med antocyaniner

Extraktion av antocyaniner från växter

Om man vill extrahera antocyaniner ur blomblad så bör man göra lösningen sur med HCl. Då får man anthocyaninerna i sin syraform, med en plusladdning. Den laddade molekylen löser sig lättare i vattnet och dessutom är de extraherade färgämnena stabila i sur miljö.

Cyanins syra-basreaktion
Antocyaniners färg är pH-beroende. De kan därför användas om pH-indikatorer.
Bild: Svante Åberg

Extraktion ur blåbär är lättare. Det räcker att koka blåbären försiktigt i vatten, eller också krossar man bären och lägger dem i kallt vatten några timmar och häller sedan försiktigt av den klara delen av lösningen.

pH-indikator

Rödkålsindikator (vänster sur - höger basisk).
"natural pH indicator Red Cabbage" modifierad av Haltopub från original av Supermartl, (CC BY-SA 3.0)

Antocyaninerna / antocyanidinerna kan användas som syra-basindikatorer. De är röda i sur miljö och blå i basisk miljö.

Extrakt av rödkål är särskilt bra eftersom det finns väldigt mycket antocyaniner i rödkålen och dessutom en blandning av många varianter. Färgskalan innehåller därför många nyanser så att många pH-värden går att avläsa.

Rödkålsindikatorn är inte kemiskt stabil över pH 12. Färgen är först blågrön, men de blålila antocyaninerna bryts ned till ofärgade ämnen.

När antocyaninerna i rödålsindikatorn bryts ned kvarstår en gul färg. Det beror på att det även finns en flavonol vid namn quercetin, som är närbesläktad med antocyaninerna. Quercetin är ofärgad vid neutrala och sura pH, men gul i basiska lösningar. Den bryts inte ned lika lätt vid höga pH. Därför kvarstår en gul färg när antocyaninen brutits ned.

Cyanins syra-basreaktion
Antocyaniners färg är pH-beroende. De kan därför användas om pH-indikatorer.
Bild: Svante Åberg

Det är antoxantin som får rödkålsindikatorn att ha grön färg vid pH över cirka 9, trots att antocyaninerna då är blå. Det är blandningen av blått + gult som ger färgen grönt.

Analys med tunnskiktskromatografi

Anthocyaniner kan separeras med hjälp av tunnskiktskromatografi med HCl som eluent. De olika anthocyaninerna vandrar olika fort när lösningsmedelsfronten rör sig framåt i det tunna skiktet.

Anthocyaniner och anthocyanidiner


Den allmänna strukturen för antocyanidiner, flavio-katjonen
"General structure of anthocyanidines" av NEUROtiker" Public Domain Mark

Anthocyaniner är sammansatta av anthocyanidiner och socker. Sockret ersätter hydroxylgrupperna i positionerna 3- eller 3-,5- och bildar 3-glycosider respektive 3,5-diglycosider.

Sockret kan skiljas från anthocyaninen genom hydrolys i syra. Då bildas motsvarande anthocyanidin.

Antocyaniner och är glykosider ur kemisk synpunkt. Det senare innebär att de kan spaltas i en kolhydrat och ett eller flera andra ämnen. När sockerkomponenten i en glykosid avspjälkas, så återstår en så kallad aglykon (icke-socker). Den benämns anthocyanidin.

Flertalet antocyaniner baseras på de tre antocyanidinerna pelargonidin (30 %), cyanidin (22 %) och delfinidin (18 %) som har 4, 5 respektive 6 OH-grupper.

Av antocyaninerna baseras 20 % på antocyanidierna peonidin, malvidin och petunidin som kännetecknas att de är metylerade. I en eller ett par positioner har –OH ersatts av –OCH3.

Anthocyanidiner
De sex anthocyanidinerna som tillsammans med socker kan bilda anthocyaniner
Bild: Svante Åberg

Antalet möjliga varianter med substituenter i olika positioner är mycket stort. Tabellen nedan visar några av de vanligare förekommande varianterna. Många OH-grupper gör antocyaninen blåare medan fler CH3O-grupper gör den rödare.

Några anthocyanidiner och deras substituerade grupper
Anthocyanidin (R4′ = −OH) R3′ R5′ R3 R5 R6 R7
Aurantinidin
Den allmänna strukturen för antocyanidiner, flavio-katjonen
−H −H −OH −OH −OH −OH
Capensinidin −OCH3 −OCH3 −OH −OCH3 −H −OH
Cyanidin −OH −H −OH −OH −H −OH
Delfinidin −OH −OH −OH −OH −H −OH
−OCH3 −OH −OH −OCH3 −H −OH
Hirsutidin −OCH3 −OCH3 −OH −OH −H −OCH3
Malvidin −OCH3 −OCH3 −OH −OH −H −OH
Pelargonidin −H −H −OH −OH −H −OH
Peonidin −OCH3 −H −OH −OH −H −OH
Petunidin −OH −OCH3 −OH −OH −H −OH
Pulchellidin −OH −OH −OH −OCH3 −H −OH
Rosinidin −OCH3 −H −OH −OH −H −OCH3
"General structure of anthocyanidines" av NEUROtiker" Public Domain Mark

Egenskaper hos antocyaniner

Antocyaniner är vattenlösliga

Anthocyaniner är vattenlösliga på grund av sockerarterna och hydoxylgrupperna som sitter på molekylen.

Cyanins syra-basreaktion
Antocyaniners färg är pH-beroende. De kan därför användas om pH-indikatorer.
Bild: Svante Åberg
Molekylerna bryts ned i basisk miljö

Antocyaniner och antocyanidiner bryts ned i basisk miljö på grund av oxidation genom luftsyrets inverkan. Vid nedbrytningen avfärgas molekylen. Sockergrupperna hos anthocyaniner gör dessa något mer stabila. Man kan studera kinetiken hos nedbrytningen genom att mäta tiden för avfärgning vid olika pH.

Nedbrytning av anthocyanidiner
Nedbrytning av anthocyanidiner i alkalisk miljö. (Detta exempel visar cyanidin.)
Bild: Svante Åberg

Systematik för flavonoider

Flavonoider är ämnen som bygger på ett skelett av flavon (2-fenyl-1,4-bensopyron).

Flavonoider är vanliga växtpigment. De bidrar till att locka insekter som pollinerar växterna och skyddar också växterna mot UV-ljus som kan skada dem.

De har egenskapen att ta hand om oxiderande ämnen, är så kallade antioxidanter. Man tror att antioxidanter minskar risken för cellskador och cancer. De är därför nyttiga att äta.

Nedbrytning av anthocyanidiner
Flavonoidernas systematik
Bild: © Svante Åberg
Antoxantiner är närbesläktade pigment till antocyaninerna

Antoxantiner är en grupp av flavonoider som är närbesläktade med antocyaninerna.

Antoxantinerna ger den vita färgen åt vitkål, blomkål, potatis och bananer. Antoxantiner inbegriper ett flertal grupper av fenoliska föreningar, såsom flavonoler, flavoner, flavanoler, flavanoner, isoflavoner, och deras glycosider. En viktig förening är quercetin, som finns i många växter.

Flavonerna och flavonolerna är ofärgade i sur miljö och gula i basisk miljö.


Antoxantiner är färglösa i sin sura form och gula i sin basiska form. Figuren visar föreningen quercetin, som är en flavonol.
Bild: Svante Åberg

Liksom anthocyaninerna så bryts flavoner ned i basisk miljö.


En flavon bryts ned i basisk miljö.
Bild: Svante Åberg

Fotokemiska pigment

Solljuset är en energikälla som håller igång livsprocesserna på jorden. Liv är inte möjligt utan att växter och andra organismer kan växa, fortplanta sig och hålla igång de biokemiska processerna som ligger bakom detta. Det är växterna som samlar denna energi i fotosyntesen med hjälp av sitt klorofyll. Men det är inte bara klorofyllet som använder ljusets energi i sina kemiska omvandlingar, utan även andra pigment.

Gemensamt för dessa pigment är att de energier som det handlar om ligger i det synliga våglängdsområdet. När pigmenten absorberar vissa ljusvåglängder av det vita solljuset, ändras den spektrala sammansättningen så att ljuset blir färgat. Därför är alla fotokemiska pigment mer eller mindre starkt färgade.

I naturen ser vi grönt klorofyll i växternas blad, röda och blå antocyaniner i blommor och frukter, röda betalainer i rödbetor, gula och orange karotenoider i höstlöv och morötter. Pigmenten fångar ljusets energi, skyddar mot skadlig UV-strålning, guidar de pollinerande insekterna och skyddar oss med sina antioxidanter mot cancer och nedbrytande processer i våra celler.

Så uppkommer färgerna hos växtpigmenten

Ljus består av fotoner, där varje foton har en bestämd mängd energi. Ju kortare våglängd ljuset har desto större energi har fotonen. De fotoner vars energi överensstämmer med energiskillnaden mellan två elektrontillstånd hos molekylen absorberas, övriga fotoner är opåverkade.

Allmänt gäller att elektroner som är hårt bundna till en viss position i molekylen tenderar att ligga på elektrontillstånd med högre skillnad mellan energinivåerna. Sådana molekyler absorberar utanför det synliga området i UV.

Molekyler där elektronerna är fria att röra sig över en större del av molekylen har energitillstånd som ligger tätare. Sådana molekyler absorberar ofta i det synliga vågländsområdet och blir därför ofta starkt färgade.

Typiskt är att alternerande dubbel- och enkelbindningar (konjugerade bindningar) gör att elektronerna kan röra sig längs hela kedjan med bindningar via en mekanism som kallas resonans. Sök efter alternerande enkel- och dubbelbindningar i strukturformeln för att bedöma om molekylen är starkt färgad.

Färgerna hos klorofyll

När klorofyll utsätts för solljus kommer fotoner med våglängd kring 430, 453, 642 och 663 nm att absorberas. Det är ljus som uppfattas som blått respektive rött, vilket resulterar i att vi ser växter som gröna - den färg som inte absorberats.


Klorofyll-a och klorofyll-b har maximal ljusabsorption i blått och rött, medan våglängsområdet kring grönt inte absorberas. Klorofyll är därför grönt.
Bild: Svante Åberg

Alternerande enkel- och dubbelbindningar gör att klorofyller absorberar synligt ljus och därför blir färgade för ögat.

Klorofyll A och klorofyll B har något olika nyanser av grönt beroende på att den ena har en metylgrupp och den andra en aldehydgrupp. Denna skillnad gör också att klorofyll A är mer hydrofob än klorofyll B.


Klorofyll A har en metylgrupp där klorofyll B har en aldehydgrupp. Denna lilla skillnad påverkar färgnyansen.
Bild: Svante Åberg
Färgerna hos karotenoider

Beta-karoten har alternerande enkel- och dubbelbindningar som sänker energin för elektrontillstånden så att pigmentet absorberar i det synliga våglängdsområdet.


Beta-karoten har alternerande enkel- och dubbelbindningar.
"Structure of beta-carotene" av NEUROtiker" Public Domain Mark

Beta-karoten absorberar mera av det gröna än klorofyll A och B, men inget i det röda våglängdsområdet.
Bild: Svante Åberg

Absorptionen sker främst i blått (våglängdsområdet 400-500 nm) och i UV-området. Det ljus som inte absorberas är rött, gult och en del grönt, vilket tillsammans ger beta-karoten en orange färg.

Moroten har gett sitt namn åt ämnet karoten och hela gruppen av karoten-liknande substanser, karotenoiderna. Karotenoider är gula eller orange pigment med låg vattenlöslighet.

Karotenoider finns inte bara i morötter, utan även i tomater (lykopen), många blommor med gul eller orange färg, i de gula höstlöven och äggula (xantofyll såsom lutein), mm.


Morötter är rika på kartoten.
"Carrot diversity" av Larsinio" Public Domain Mark
Färgerna hos antocyaniner

Att färgerna för antocyaniner varierar efter pH beror på att energinivåerna för elektronerna i molekylen påverkas av molekylens utseende och laddningsfördelning.


Cyanin är en antocyanin. Färgerna är typiska för antocyaniner i allmänhet, men med små skillnader i färg och vid viket pH som färgen ändras.
Bild: Svante Åberg
Färgerna hos betalainer

Betalainer är vattenlösliga växtpigment som visserligen påminner om antocyaniner, men som har en annan kemisk struktur där kväve ingår.

Ung flugsvamp Mogen flugsvamp Gammal flugsvamp
Att betaninet är vattenlösligt förstår man när man ser hur regnet får flugsvamparna att blekna.
Bilder: Svante Åberg

Betalainer finns av två typer med olika färger. Betaxantinerna har nyanser mellan gult och orange, betacyaninerna mellan rött och violett.


Betaxantin och betacyanin, de två huvudtyperna av betalainer. Notera att kväve ingår i strukturen, något som skiljer betalainerna från antocyaninerna.
"Betalains" av Harris et al; licensee BioMed Central Ltd. 2012" Public Domain Mark

Klorofyller


Fotosyntesen sker i bladens gröna kloroplaster, där klorofyllet finns.
"Plagiomnium affine laminazellen" av Fabelfroh" (CC BY-SA 3.0)

Klorofyller är gröna pigment som finns i cyanobakterier, och i cellernas kloroplaster i alger och växter. Klorofyll är den viktigaste molekylen för att fånga solljusets energi och bygga in det i kolhydrater som växterna syntetiserar. Växterna utgör sedan föda för djuren. På så vis kan den fångade solenergin spridas i hela ekosystemet.

Fotosyntes med hjälp av klorofyll-a och b

Klorofyll-a och b ingår i växternas fotosyntes. Molekylerna är inbäddade i tylakoidmembranen i kloroplasterna, där fotosyntesen sker.

Varianter av klorofyll

De vanligaste klorofyllerna är klorofyll-a och klorofyll-b, men det finns också klorofyll c1, c2, d och f:

Klorofyll-a finns är universell och finns i alla organismer som innehåller klorofyll.
Klorofyll-b finns mest i växter
Klorofyll-c1 och c2 finns i olika alger
Klorofyll-d och f finns i cyanobakterier


Kloringruppen innehåller en magnesiumjon. Just denna klorinvariant ingår i klorofyll-a.
"Chlorin Chlorophyll d" av charlesy" Public Domain Mark

Klorofyll-a finns i alla organismer med fotosyntes, inklusive alger. Absorptionsmaxima ligger i det våglängdsområde där solljuset är intensivt. Energin fångas och kanaliseras till att driva sönderdelningen av vatten och vidare reaktion med koldioxid för att bilda kolhydrater.

Klorofyll-b finns även den i växter och gröna alger. Eftersom absorptionsmaxima för klorofyll-b är förskjutna en del i förhållande till klorofyll-a, så kompletterar klorofyll-b absorptionen av solljuset.

Klorofyll-c finns i vissa typer av alger, inklusive dinoflagellater. På samma sätt som klorofyll-b bidrar den till att fånga solljuset, men kolorfyll-c deltar inte själv i de fotokemiska reaktionerna som sedan följer.

Klorofyll-d finns i cyanobakterier och röda alger. Ljusabsorptionen sker i det långvågiga området vid 710 nm strax utanför det synliga området. Det är en anpassning till det ljus som finns tillgängligt på måttliga djup i havet.

Klorofyll-f absorberar också långvåglig ljus, ännu längre in i det infraröda våglängdsområdet som ligger utanför det synliga spektrat. Klorofyll-f finns i cyanobakterier.

Gemensamt för alla klorofylltyper är tetrapyrrolringen (klorin) som binder en magnesiumjon i centrum. Denna grupp är mycket lika hem-gruppen i hemoglobin, som i stället binder en järnjon.

När klorofyllet bryts ned på hösten

Kloringruppen i klorofyllet bryts ned till en färglös förening.
"Nonfluorescent chlorophil catabolite" av Ronhjones" Public Domain Mark

När hösten kommer, bryts bladens klorofyll ned samtidigt som antocyaniner bildas. Det leder till att det gröna försvinner och ersätts av röda och gula höstfärger.

Xantofyller är karotenoider besläktade med pigment som karoten och quercetin. Xantofyller är gula och orangefärgade. Visserligen finns de i bladen på sommaren, men de döljs av det gröna klorofyllet. När klorofyllet bryts ned blir de gula och orange färgerna synliga.

Antocyaniner bildas av socker med hjälp av solljuset under hösten. Bildningen gynnas av att hösten är relativt långdragen, men samtidigt kylig och solig. Även antocyaninernas färger blir tydliga av att klorofyllets kraftiga gröna färg försvinner.

Nedbrytningen av klorofyllet gör det möjligt för trädet att återvinna kvävet som finns i klorofyllet, innan trädet fäller sina blad.

Karotenoider

Färgerna hos tre vanliga karotenoider. Beta-karoten är en karoten eftersom den är ett kolväte. Lutein och violaxantin är xantofyller eftersom de innehåller syre.
Bilder: Svante Åberg

Karotenoiderna delas in i karotener och xantofyller. Karotenerna är kolväten. Xantofyllerna innehåller, förutom kol och väte, dessutom grundämnet syre.

Karotenoiderna innehåller alternerande enkel- och dubbelbindningar i kolvätekedjan. Kedjan är alltså en polymer av isoprengrupper, -C(CH3)=CH-.

Dessutom spegelvänds denna kolvätekedja i mitten av molekylen. Karotenoiden är alltås symmetrisk så att den kan delas i två likadana halvor.

De mest kända karotenoiderna är beta-karoten och lykopen. Beta-karoten finns i morötter och många vegetabilier som vi äter. Beta-karoten är också en färgämne i livsmedel med nummer E 160a. Lykopen är det röda pigment som ger färgen åt tomater.

Karotenoider är omättade kolväten som är mycket hydrofoba. De är olösliga i vatten, men i stället fettlösliga. Därför lagras karotenoider i fettvävnader i kroppen, men även i muskler, hud och ögon. Om man ska ta bort fläckar av karoten, måste man använda fettlösande borttagningsmedel. Ett trick är att gnugga fläcken med lite smör först, och sedan tvätta med tvål och vatten.

Karotenoider bidrar till ljusinsamlingen i fotosyntesen. De absorberar våglängder i det blågröna våglängdsområdet som klorofyllerna inte fångar upp.


Retinol, som bildas ur en halv beta-karoten, är en av de vanligare varianterna av A-vitamin.
"Retinol" av NEUROtiker" Public Domain Mark

Karotenoiderna skyddar också växterna mot alltför stark strålning. De omvandlar energin i strålningen till värme. Utan detta skydd skulle en del proteiner och cellmembraner i växterna ta skada.

När vi äter karotenoider, så spjälkas molekylen i två delar vid matsmältningen och bildar två molekyler A-vitamin. Vitamin A behövs för att foster ska utvecklas i den tidiga delen av graviditeten, och för att vi ska få en fullgod syn.

Lykopen är dock en karotenoid som inte bildar A-vitamin eftersom den saknar den cykliska kolvätegruppen som finns i A-vitamin.

Människor äter många olika karotenoider. Vi äter mest av β-karoten, lykopen, lutein, zeaxantin, β-kryptoxantin, och α-karoten, som tillsammans utgör 90 % av karotenoiderna i vår diet.

Karotenoiderna är också nyttiga. De har antioxidativ effekt och man har kunnat konstatera att de motverkar cancer.

Antocyaniner

Antocyaniner hittar vi i nästan alla frukter och bär, i många röda och blå blommor, och i höstlöv som blir röda när växtsäsongen lider mot sitt slut. Blåbär är särskilt rika på antocyaniner. Det är också gott om antocyaniner i rödkål.

Antocyaninerna innehåller många OH-grupper och sockergrupper, som ju är polära. Därför är antocyaninerna lättlösliga i vatten.

Eftersom antocyaninerna är antioxidanter, så anser man att de kan skydda mot fria radikaler som kan skada cellerna i kroppen. För mycket fria radikaler orsakar något som man kallar oxidativ stress. En hypotes är att de fria radikalerna bidrar till åldrandet och att antioxidanter skulle saktar ner åldringsprocessen något. Det finns tecken på att antocyaniner och andra flavonoider skulle ha ett flertal positiva hälsoeffekter.

Antocyaniner bryts ganska lätt ner av värme, syre och ljus. De är därför inte lätta att förvara. Om man vill behålla antocyaninerna, så är infrysning en möjlighet. Så länge som antocyaninerna finns i de frukter, bär och andra växter där de bildades, är dock nedbrytningen långsammare.

Betalainer

Betalainer påminner mycket om antocyaniner, till exempel vad gäller deras vattenlöslighet. Betalainer innehåller dock kväve, vilket antocyaninerna inte gör. Det har också visat sig att betalainer och antocyaniner aldrig förekommer tillsammans i samma växt.

Betalainer är antioxidanter, vilket betyder att de har förmågan att oskadliggöra fria radikaler som förekommer i kroppens celler. Fria radikaler är mycket reaktiva och kan bryta ner DNA och andra ämnen i kroppen. Om betalainerna verkligen fungerar i kropppen (in vivo) återstår att visa vetenskapligt, men hypotesen är att de skulle kunna minska risken för cancer och kärlsjukdomar. Man har kunnat visa att betalainer har viss hämmande effekt mot malaria och andra parasiter och att de har antimikrobiell effekt.

Det finns två typer av betalainer, nämligen betacyaniner och betaxantiner.

Betanin är färgen i rödbetor

Strukturen för betanin, det röda färgämnet i rödbetor.
"Betanin" av Shaddack" Public Domain Mark

Den mest kända betalainen är betanin, som finns i rödbetor och röda flugsvampar.

Betanin är ett livsmedelsfärgämne med nummer E162. Betanin är inte så stabilt. Det bryts ned av ljus, värme och syre. Det använd därför i frysta livsmedel. Det är lätt att utvinna betanin ur rödbetor eftersom det är så vattenlösligt.

Betaninens färg är pH-beroende med pKa1 = 3,3 och pKa2 = 8,5. Vid pH under 8 är färgen ljusare röd med dragning åt magenta. Vid pH över 9 är färgen blåviolett och mörkare. Vid vid tillräckligt höga pH sönderfaller betanin och färgen bleknar till en gröngul nyans.

Rödbetssaft kan användas som pH-indikator, men är inte lika bra som rödkålsindikatorn.

Rödkålsindikatorn

Antocyaninernas färger

Rödkål innehåller en stor mängd antocyaniner. De flesta röda, blåa och violetta färgerna i naturen orsakas av antocyaniner. Man kan hitta dem i kronblad, frukter och blad. På hösten när löven förlorar det gröna klorofyllet blir antocyaninerna synliga i de gul/röda löven.

Antocyaninerna är pigment som skyddar växterna från UV-strålning. Produktionen av klorofyll och vax har inte kommit igång hos unga plantor, därför ökar produktionen av antocyaniner för att skydda dem. Antocyaniner bildas i de yttre lagren av epidermis och därför lyckas de skydda växten från DNA skador i cellerna under epidermis.

Antocyaniner har två färgomslag, rött och blått. Antocyaninerna är röda i sur lösning, violetta i nära neutral och blåa i basisk.


Antocyaniner finns i många varianter. Cyanin är en av dem. De fungerar som pH-indikatorer med två olika färgomslag.
Bild: Svante Åberg

Beredning av rödkålsindikator

Det är enkelt att ställa i ordning rödkålsindikator. Strimla en färsk rödkål. Fyll en bägare eller liten kastrull med den strimlade rödkålen och tillsätt vatten så att det precis täcker rödkålen. Värm sedan försiktigt, men utan att koka. Sila sedan av rödkålssaften och häll den på glasburk. Låt svalna. Förvara sedan i kylen.

En variant av beredning är att blanda lika delar 2-propanol och vatten för extraktionen av rödkålssaften. Bered sedan rådkålssaften på samma sätt som beskrivet ovan, man använd blandningen av 2-propanol och vatten i stället för enbart vatten.

Om man vill förvara rödkålssaften riktigt långe, så kan man frysa in den.

Rödkålsindikatorns färger

En fördel med rödkålsindikatorn är att man får en färgskala som gör att man kan avläsa många olika pH-värden över hela skalan. Det beror på att antocyaninerna som man extraherar är en blandning av flera varianter med något olika omslag på pH-skalan. Hur skalan kan se ut ser du nedan. Skalan är ungefärlig eftersom det inte är exakt lika sammansättning av antocyaniner varje gång man bereder rödkålssaften.


När du använder rödkålsindikatorn kan du jämföra med färgskalan ovan. Den ger ett ungefärligt värde på pH i ditt prov.
Bild: Svante Åberg

Att använda rödkålsindikatorn

När man vill mäta pH, så tillsätter man tillräckligt av pH-indikatorn för att man ska kunna se en tydlig färg. Undvik att tillsätta mer indikator än som behövs. Man vill påverka pH så lite som möjligt, och då bör man inte späda ut provet med för mycket indikatorlösning.

Antocyaniner bryts ned i basisk miljö

Antocyaniner bryts ned i en starkt basisk lösning och förlorar då sin färg.


Figuren visar hur cyanidin bryts ned kemiskt vid höga pH. De små molekylerna som bildas är färglösa. (Antocyaniner bryts ned på motsvarande sätt)
Bild: Svante Åberg

När antocyaninerna i rödålsindikatorn bryts ned kvarstår en gul färg. Det beror på att det även finns antoxantin, som är närbesläktad med antocyaninerna. Antoxantiner är ofärgade vid neutrala pH men gula i basiska lösningar. De bryts inte ned vid höga pH. Därför kvarstår en gul färg när antocyaninen brutits ned.


När antocyaninerna bryts ned vid höga pH blir bara det gula pigmentet antoxantin kvar.
Bild: Svante Åberg

Indikator

Indikatorn känner av andra kemiska ämnen

En indikator är ett ämne som används för att visa på ett annat ämne. Indikatorns färg påverkas av om det finns mycket eller lite av ämnet i lösningen.

Typiskt är att indikatorer har en mycket stark färg. Tack vare den starka färgen behöver man bara tillsätta en liten mängd av indikatorn. Det har fördelen att man inte påverkar lösningen så mycket. För att indikatorn ska ändra färg krävs nämligen att den reagerar med det ämne som den ska påvisa. Då förbrukas lite av just detta ämne. Men när indikatortillsatsen är liten så blir också denna påverkan liten.

Det finns många sorters indikatorer. Några huvudtyper är:

Indikatorn avslöjar jämviktsläget

Indikatorer deltar i jämviktsreaktioner och därför kan ge information om den kemiska miljön, t.ex. om den är övervägande sur eller basisk, övervägande reducerande eller oxiderande, övervägande rik eller fattig på komplexbildande ämnen.

pH-indikatorer reagerar med vätejoner, H+, i jämvikten
HInd ⇄ Ind- + H+

Principen vid jämviktsreaktioner är att partiklar som finns i stor mängd tenderar att förbrukas i reaktionen. På motsvarande sätt tenderar partiklar som finns i liten mängd att bildas i reaktionen.

I en sur lösning är det gott om vätejoner. Jämvikten ovan förskjuts då åt vänster för att förbruka vätejonerna. Samtidigt bildas formen HInd av indikatorn. Om vi tar BTB (bromtymolblått) som exempel, så är formen HInd starkt gul.

I en basisk lösning är mängden vätejoner mycket liten. Jämvikten ovan förskjuts då åt höger och formen Ind- av indikatorn bildas. I fallet med indikatorn BTB så är denna form starkt blå.

Värdet pKInd

pH-indikatorn BTB slår om vid pH 7,0, dvs. när vattenlösningen är neutral. Vid pH 7 finns det lika mycket av de två formerna, dvs. 50 % IndH och 50 % Ind-, av indikatorn. Färgen blir då grön som är en blandning av gult (IndH) och blått (Ind-).

Men de flesta pH-indikatorer byter färg vid andra pH än 7. Till exempel slår metylrött om vid pH 5,1. Det har att göra med indikatormolekylens förmåga att binda vätejoner. För att få ett mått på indikatorns omslags-pH har man definierat pKInd så att det är lika med det pH när färgomslaget sker. Vi har därför
pKBTB = 7,0
pKmetylrött = 5,1

Sambandet mellan pH, pKInd och halterna av de två formerna av indikatorn är
pH = pKInd + log10([Ind-]/[IndH]), där de raka parentestecknen [...] anger "koncentrationen av ...".

När [Ind-] = [HInd] förenklas uttrycket till
pH = pKInd + log10([Ind-]/[HInd]) =
pKInd + log10(1) = pKInd + 0 = pKInd

pH-indikatorns jämvikt

Indikatorn bromtymolblått
Bild: ©Svante Åberg

pH är ett mått på halten av vätejoner. Sambandet mellan pH och vätejonhalten är
pH = -log10[H+].

pH-indikatorn används för att ge en färgindikation på vilket pH som råder i lösningen.

En pH-indikator är i sig själv ett syra-baspar. Syraformen HInd och basformen Ind- står i jämvikt med varandra. pH-indikatorns jämvikt kan skrivas

HInd H+ + Ind-
syraform
av indikatorn
vätejon basform
av indikatorn

Övriga syror och baser i lösningen förekommer i mycket större mängder och styr därför lösningens pH. pKIind är det pH då indikatorn byter färg. Beroende på pH förekommer pH-indikatorn i sin syraform eller basform.

pHsyraformen HIndbasformen I-
pH < pKInd-2≈ 100 %≈ 0 %
pH = pKInd= 50 %= 50 %
pH > pKInd+2≈ 0 %≈ 100 %
generell formel
för varje pH
log10{[Ind-]/[HInd]} = pH - pKInd

[Ind-]/[HInd] = 10pH - pKInd

I praktiken förekommer båda formerna av indikatorn bara om pH ligger inom intervallet pKInd±2. Om pH = pKInd så förekommer indikatorn till 50 % som HI och till 50 % som I-. Indikatorns färg är då blandfärgen av syraformen och basformen.

Universalindikator

Genom att blanda indikatorer med olika pKInd så kan man få en färgskala med flera omslag på pH-skalan. Det är då möjligt att påvisa flera olika pH-värden i stället för bara se om pH ligger under eller över ett visst värde.

Yamadas pH-universalindikator från 1933 är en blandning av 0,025 g tymolblått, 0,060 g metylrött, 0,300 g bromtymolblått och 0,500 g fenolftalein löst i 500 ml etanol och sedan spädd med avjonat vatten till 1000 ml.

pH-begreppet


pH-värden för några vanliga ämnen.
"pH scale" av OpenStax College" (CC BY 3.0)

pH är ett mått på surhetsgraden i en vattenlösning. Det som gör vattnet surt är vätejoner, H+. Vätejoner kommer från syror, såsom ättiksyra, svavelsyra eller kolsyra, men jonerna bildas inte förrän syran löser sig i vatten.

pH är definierat bara i vattenlösningar. Man kan alltså inte ange pH för till exempel en etanollösning, även om syran kan lösa sig i etanolen och avge vätejoner på liknande sätt som i vatten.

pH i vardagen

Det är vätejonerna som ger de sura egenskaperna hos lösningen. Till exempel är vätejoner frätande på många ämnen. Vätejonerna ger också en syrlig smak. Faktiskt är mycket av det vi äter mer eller mindre surt. Frukter innehåller fruktsyror av olika slag. Filmjölk innehåller mjölksyra och läsk innehåller kolsyra. Den syrliga smaken är faktiskt uppfriskande.

Vattenlösningar med högt pH innehåller väldigt lite vätejoner. De är basiska. Basiska livsmedel finns nästan inte. Undantag kan vara svagt basiska kakor bakade med bikarbonat eller lutfisk där det finns små rester av luten. Däremot är många rengöringsmedel starkt basiska. I basiska lösningar är halten vätejoner väldigt låg. I stället finns det gott om hydroxidjoner, OH.

pH-skalan

pH-skalan går från cirka pH 0 för starkt sura lösningar via pH 7 för en neutral lösning till cirka pH 14 för mycket basiska lösningar.

Vätejonerna (H+) står i jämvikt med hydroxidjonerna (OH) i vattenlösningen. Vätejoner och hydroxidjoner är som vågskålarna i en balansvåg. När det finns mycket av den ena finns det lite av den andra, och vice versa. Det väger jämnt vid pH 7, när vattnet är neutralt. Så är fallet i alldeles rent vatten.

pH-skalans koppling till koncentrationen av vätejoner

Halten av vätejoner kan variera mycket. I mycket sura lösningar är halten i storleksordningen 1 mol/dm3. I mycket basiska lösningar är halten väldigt låg, ned till cirka 0,00000000000001 mol/dm3. I en neutral vattenlösning är halten 0,0000001 mol/dm3.

För att slippa skriva så många siffror, så kan man uttrycka halterna med hjälp av 10-potenser. Då blir det på följande sätt:

lösning[H+] på vanligt sätt[H+] med 10-potenserpH
mycket sur1 mol/dm3100 mol/dm3 0
neutral0,0000001 mol/dm310–7 mol/dm37
mycket basisk0,00000000000001 mol/dm310–14 mol/dm314

Man använder hakparenteser för att ange att det handlar om koncentrationen av något. Koncentrationen av vätejoner betecknas då [H+].

Genom att definiera pH som exponentens värde med motsatt tecken, så kan vi hantera halter från suraste lösningen till den mest basiska utan att skriva så många siffror. I tabellen finns pH-värdet i kolumnen längst till höger.

När man skriver 10-potenser är exponenten ett mått på storleksordningen hos vätejonhalten. Varje minskning av pH med ett steg motsvarar en multiplikation av vätejonkoncentrationen med faktorn 10, och ökning av pH motsvarar en division av vätejonkoncentrationen med faktorn 10. Att låga pH ger hög halt av vätejoner beror på att man bytt tecken när man definierat pH.

På motsvarande sätt motsvarar 2 steg faktorn 100, 3 steg faktor 1000, och så vidare.

Beräkningar med pH och [H+]

Man får man pH-värdet ur vätejonkoncentrationen med följande formel:
pH = –log [H+]

Omvänt beräknar man vätejonkoncentrationen ur pH-värdet med följande formel:
[H+] = 10–pH

Formell definition av pH


Moln av motjoner bildas kring enskilda joner i lösningen.
"Ionenverteilung inLoesung" av Daniele Pugliesi" (CC BY 3.0)

I praktiken använder man koncentrationer av ämnen i lösningar när man räknar på kemiska jämvikter. Koncentrationen av vätejoner, [H+], stämmer väl med hur stor effekt vätejonerna har kemiskt när de deltar i kemiska reaktioner om lösningen är relativt utspädd. Men om koncentrationen är högre än cirka 0,1 mol/dm3, så börjar man se tydliga avvikelser mellan den faktiska kemiska effekten och den man förväntar sig utifrån koncentrationen.

Orsaken till att kemisk effekt och koncentration inte längre är proportionella vid höga koncentrationer är att det bildas moln av motjoner kring vätejonerna som påverkar deras möjlighet att delta i kemiska reaktioner. Detta beskrivs av Debye–Hückel i deras teori. De kom fram till en korrektionsfaktor som kallas aktivitetskoefficient.

Vätejonens kemiska aktivitet, som betecknas {H+}, får man genom att multiplicera jonkoncentrationen [H+] med aktivitetskoefficienten γ.


Aktivitetskoefficienten γ för lösningar med olika jonstyrkor.
"Debye-Hückel equation" av V8rik" (CC BY 3.0)

Vid låga koncentrationer är aktivitetskoefficienten γ = 1, men vid högre koncentrationer tenderar γ att vara mindre än 1.

Debye–Hückels teori för aktivitetskoefficienten γ bygger på lösningens jonstyrka. Om lösningen bara innehåller envärda joner, så är jonstyrkan lika med koncentrationen av saltet. Men om lösningen innehåller 2-värda, eller till och med 3-värda joner, så blir jonstyrkan betydligt högre. Då sjunker aktivitetskoefficienten betydligt mera.

Den formella definitionen av pH bygger på vätejonens aktivitet:
pH = –log {H+}, där {H+} = γ [H+]

Omvänt får man:
{H+} = 10–pH

Syra-basreaktion

Syror och baser kan beskrivas som varandras motsatser. Det är nämligen så att en syra ger bort en vätejon, men en bas tar i stället emot en vätejon. Detta gör att syror och baser lätt reagerar med varandra. Man får en så kallad syra-basreaktion.

Ett annat namn för syra-basreaktion är protolys. En väteatom består av en proton i kärnan och en elektron i skalet. När vätet förlorat sin elektron och bildat en vätejon, så återstår bara protonen. Vätejon och proton är därför samma sak.

Ordet "lys" är grekiska och betyder sönderfall. När syran avger sin vätejon sönderfaller den i vätejon + den rest som blir kvar. "Proton" och "sönderfall" ger därför ordet protolys.

Neutralisation


Syra och bas reagerar i neutralisation.
Bild: Svante Åberg

Eftersom syror och baser är varandras motsatser, så har de en förmåga att förbruka varandra när de reagerar. Vid reaktionen förbrukas lika mycket syra och bas. De ämnen som i stället bildas är ofta salt och vatten, men inte alltid. Här är två exempel.

Exempel 1: HCl(aq) + NaOH(aq) → H2O(l) + Na+ + OH

Natriumjonerna och hydroxidjonerna ger saltet natriumkorid, dvs. vanligt koksalt. I syra-basreaktionen bildas också vatten.

Exempel 2: HCl(aq) + NH3(aq) → Cl + NH4+

Ammoniumjonerna och kloridjonerna ger saltet ammoniumklorid, dvs. salmiak. I denna syra-basreaktion bildas inget vatten.

Definition av syror och baser som protongivare och protontagare

syra = protongivare
bas = protontagare

Arrhenius definierar syra som protongivare

Den som först kom med en definition av syror och baser var den svenske kemisten Svante Arrhenius, vilket han fick Nobelpriset för år 1904. Arrhenius visade på förekomsten av vätejoner i vattenlösning av syror. Han definierade en syra som ett ämne som dissocieras (sönderdelas) i vatten så att vätejoner (H+) bildas.

Brønsted och Lowry definierar bas som protontagare

Den danske kemisten Johannes Nicolaus Brønsted och den engelske kemisten Martin Lowry kompletterade sedan, oberoende av varandra, teorin genom att definiera bas som protontagare. De insåg att baser har förmågan att deprotonera syror, dvs. plocka protoner från syror. Nu hade man en komplett teori som definierade syra och korresponderande bas som samma partikel, förutom skillnaden på en proton.

Syrans reaktion i vattenlösning

En generell beteckning för en syra är HA. H står för grundämnet väte, men A är en beteckning som syftar på syra (engelska Acid). Exempelvis kan HA beteckna väteklorid ,HCl, eller ättiksyra, CH3COOH.

Dissociationen av syran HA sker med reaktionsformeln:
HA → H+ + A

Vi ser att syran HA ger bort sin proton och kvar blir A. Syran HA är alltså en protongivare.

Den frigjorda vätejonen reagerar sedan omedelbart med vatten och bildar en oxoniumjon:
H+ + H2O → H3O+

Basens reaktion i vattenlösning

Basen B har förmågan att ta emot en vätejon (proton). I vattenlösning kommer vätejonen från en vattenmolekyl som har sönderdelats med reaktionsformeln:
H2O → H+ + OH

Den frigjorda vätejonen tas emot av basen i reaktionen:
H+ + B → BH+

Samtidig syra-basreaktion

Protonöverföringen kan ske direkt från syran till basen i en reaktion med formeln:
HA + B → A + BH+

En sådan typ av reaktion kallas för protolys.

Reaktionen kan också ske åt motsatt håll, dvs. att BH+ fungerar som syra när den ger en proton till A som då fungerar som bas:
A + BH+ → HA + B

Som synes kan även joner vara syror och baser, såsom att A är en bas och BH+ är en syra.

Korresponderande syra-baspar

När en vätejon avges av en syra måste det alltid finnas en bas som tar emot den. Det är nämligen så att vätejoner inte kan existera fria. När det samtidigt är så att syran blir en bas när den avger sin vätejon, och basen blir en syra när den tar emot en vätejon, så kan man alltid beskriva syra-basreaktionen på följande sätt:

HA1 + A2 A1 + HA2
syra 1 bas 2 bas 1 syra 2

I reaktionen har vi syra-basparen:
syra 1 ⇄ bas 1 + H+
syra 2 ⇄ bas 2 + H+

Nedan ges några exempel på syra-basparen i ett antal syra-basreaktioner:

syra 1 bas 2 bas 1 syra 2
HCl(aq) + NH3(aq) Cl + NH4+
CH3COOH(aq) + H2O(l) CH3COO + H3O+
CH3COOH(aq) + OH CH3COO + H2O(l)
H2O(l) + NH3(aq) OH + NH4+
H2O(l) + H2O(l) OH + H3O+

Den sista reaktionen i tabellen är intressant för att den visar att vatten kan reagera med sig själv. Denna reaktion kallas vattnets autoprotolys.

Lewis definition av syra som elektrontagare och bas som eletrondonator

syra = tagare av elektronpar
bas = givare av elektronpar

Gilbert N. Lewis definierade syra-basreaktioner som elektronöverföringar ungefär samtidigt som Brønsted och Lowry jobbade med sin definition av protolys.

För Lewis var en bas ett ämne som kunde donera ett elektronpar. En syra var då ett ämne som kunde ta emot ett elektronpar. Lewis definition av syror och baser är en bredare definition som även kan tillämpas på ämnen som inte innehåller väte. Exempelvis är bortrifluorid, BF3, en Lewis-syra som kan reagera med Lewis-basen fluorid, F:
BF3 + F → BF4.

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. Bonniers lexikon, band 1, 1988, Bonniers.
  2. Colour and stability of pure anthocyanins in aqueous solutions at high pH values, Øyvind Andersen, Torgils Fossen, Luis Cabrita, University of Bergen
    http://ecsoc2.hcc.ru/posters/DP_TOP3/dp126/dp126.htm
  3. Cabbage Water - an indicator for pH, The pH Factor, Miami Museum of Science
    http://www.miamisci.org/ph/phcabbage.html (2003-08-22)
  4. Bra Böckers lexikon, band 18, 1988, Bokförlaget Bra Böcker, Höganäs.
  5. Geraniaceae - The Pelargonium Picture Gallery, Alby's World of Geraniaceae
    http://www.users.bigpond.com/SCRIVENS/pelpic.html
  6. Anthocyanin, Jack Sullivan
    http://www.charlies-web.com/specialtopics/anthocyanin.html (2003-08-22)
  7. Kirk - Ottmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 1993, John Wiley & Sons, New York.
  8. Römpps Chemie - Lexikon, band 4, 8:e upplagan, 1985, Verlag Otto - Albrecht Neumuller.
  9. Encyclopedia of Science and Technology, vol. 8, 1997, McGraw Hill, New York.
  10. J. Bonner and A.W. Galston, Principles of Plant Physiology, 1952, W.H. Freeman and Co, San Francisco.
  11. E. Strasburger et al., Lehrbuch der Botanik, 1952, G. Fischer Verlag, Stuttgart 1958.
  12. E. Berner, Laerebog i Organisk Kjemi, 1961, H. Ascheschoug & Co., Oslo.
  13. Nobel Prize in Chemistry 1915 (Willstätter: antocyaniner mm), The Nobel Foundation
    http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1915/ (2003-08-22)
  14. Weather Affects Fall Colours, Nature North
    http://www.naturenorth.com/fall/colors/color7.html (2003-08-22)
  15. Horticulture Solution Series - Anthocyanin, University of Illinois
    http://www.ag.uiuc.edu/~robsond/solutions/horticulture/docs/anthocy.html (2003-08-22)
  16. Autumn Leaf Chemistry, MiningCo.com
    http://chemistry.miningco.com/library/weekly/aa122198.htm (2003-08-22)
  17. The Chemistry of Autumn Colors, Bassam Z. Shakhashiri
    http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/fallcolr/fallcolr.html (2003-08-22)
  18. Autumn Color in Trees - Why do leaves change color?, Russell E. Carlson, Tree Tech Consulting
    http://www.tree-tech.com/techrpt/autumncolor.html (2003-08-22)
  19. Thin-layer chromatography of Anthocyanins, Purdue University
    http://www.hort.purdue.edu/hort/courses/hort301/antho/index.htm (2003-08-22)
  20. Separation of Anthocyanins by Thin Layer Chromatography, Robert Curtright, Randy Emry and John Markwell, University of Nebraska-Lincoln
    http://www-class.unl.edu/biochem/labs/student/exp10.htm (2003-08-22)
  21. Introduction to Anthocyanins, University of Nebraska
    http://www-class.unl.edu/biochem/labs/student/exp6.htm (2007-09-05)
  22. UV spectral data and Rf values for selected anthocyanins , Kornaga et al.
    http://www.epress.com/w3jbio/vol2/kornaga/table2.html (2003-08-22)
  23. Anthocyanins protect DNA from UV damage, Ann E. Stapleton and Virginia Walbot
    http://www.agron.missouri.edu/mnl/66/169stapleton.html (2003-08-22)
  24. Fast Plants Monohybrid Cross, University of Wisconsin, Madison
    http://www.fastplants.org/resources/genetics/monohybrid.html (2003-08-22)
  25. Coordinator's Report: Anthocyanin genes, B. Jende-Strid, Carlsberg Research Laboratory
    http://greengenes.cit.cornell.edu/bgn/v24p162.html (2003-08-22)
  26. Antioxidants in Foods. Naturally!, Pacific Agri-Food Research Centre
    http://res.agr.ca/summer/Electronic%20Publications/growidea/giv6a/antioxidant.htm (2003-08-22)
  27. Nationalencyklopedin, band 1, sid. 434, 1994 Bra böcker AB, Höganäs.
  28. Structure of anthocyanidins, The University of the West Indies, Mona Campus
    http://wwwchem.uwimona.edu.jm:1104/spectra/chime/anthocy.html (2003-08-22)
  29. Anthocyanin Biosynthesis, Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung
    http://www.mpiz-koeln.mpg.de/~stueber/snapdragon/biochemistry/anthocyanin.html (2003-08-22)
  30. Cracking Nature's Color-Code for Flowers, Jan Suszkiw, Agricultural Research Service
    http://www.ars.usda.gov/is/kids/plants/story2/flower.htm (2003-08-22)
  31. Mendelian inheritance, Michael Knee, Ohio State University
    http://www.hcs.ohio-state.edu/hcs300/genetic.htm (2003-08-22)
  32. The Red Cabbage Riddle, College of Agricultural Sciences, Penn State University
    http://www.penpages.psu.edu/penpages_reference/29503/29503200.HTML (2003-08-22)
  33. PSU Nutrition 119 & 120: Lab 6 Pictures, Pennsylvania State University
    http://www.courses.psu.edu/nutr/nutr119_aqc6/lab6/ (2003-08-22)

Fler experiment


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
Färgämnen i M&M
Gör din egen limfärg
Klorofyllets röda fluorescens
Osynligt bläck
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

syror och baser
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Badbomber
Brus-raketen
Den tunga koldioxiden
En märklig planta
Flaskor mun mot mun
Försvinnande bläck
Göra lim av kasein
Höna med gummiben?
Indikatorpärlor
Kemi i en plastpåse
Kemiskt snöfall
Löslighet och pH - En extraktion
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Modellmassa av mjölk
Osmos i ett ägg
pH i kokt mineralvatten
pH-förändringar vid fotosyntes
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Saltkristaller av en aluminiumburk
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Tag bort rostfläcken med det ämne som gör rabarber sura
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Varför äter vi Samarin?
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Älskling, jag krympte ballongen

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
Gelégodis i vatten
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
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

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
Färgämnen i M&M
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
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