pH-beroende avfärgning av rödkål

Tillhör kategori: kemiska reaktioner, organisk kemi, kolföreningar, urval experiment under revidering

Författare: Jasintha Åberg

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

Frätande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 30 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Avancerat

Introduktion

Rödkålssaft avfärgas när det blir alltför basiskt. Reaktionen sker med en hastighet som vi kan följa visuellt. I experimentet använder vi ett smart trick för att kunna mäta pH-beroendet utan att använda komplicerade mätinstrument.

Riktlinjer

Det är lämpligt att arbeta i grupper om 2-3. Experimentet kräver en viss skicklighet eftersom det ingår tidtagning och lite beräkningar. Det är därför lämpligt i högre årskurser.

Säkerhet

Varning! Det är absolut nödvändigt med skyddsglasögon eftersom hydroxiden kan förstöra synen! Koncentrerad natriumhydroxid är starkt frätande. Vid stänk i ögonen måste ögonen sköljas omedelbart i rinnande vatten och under lång tid.

Överblivna kemikalier kan spolas ned i vasken tillsammans med rikligt med vatten.

Materiel

Bereda rödkålsindikatorn

Bereda lösningar av natriumhydroxid

Mäta reaktionshastigheten

Förarbete

Rödkålssaft

Bered rödkålssaft genom att koka rödkålsbitar i lite vatten. Avlägsna bitarna efter cirka 10 minuters kokning. Fortsätt sedan koka till dess du har en koncentrerad lösning av rödkålssaft.

pH-lösningar

Bered lösningar med pH 13 och 14 enligt

Förvaring av natriumhydroxidlösning ska ske i plastflaska. Glas är något surt och reagerar sakta med starkt basiska lösningar. Observera att natriumhydroxidlösningar tar upp koldioxid från luften. Förvara dem därför i väl tillslutna behållare.

Varning! Det utvecklas värme när natriumhydroxid löses i vatten. Hydroxid är också starkt frätande och speciellt farligt för ögonen.

Utförande

  1. Mät upp NaOH(aq):
    • 20 ml pH 13 i bägare 1
    • 20 ml pH 14 i bägare 2.
  2. Sätt 2 ml koncentrerad rödkålssaft till var sitt stora provrör.
  3. Häll lösning pH 13 i det vänstra provröret samtidigt som du starta tidtagningen.
  4. Efter precis 1 minut häller du lösning pH 14 i det högra provröret.
  5. Avläs hur många sekunder det tar innan färgerna i de båda provrören är exakt lika.
  6. Jämför reaktionstiderna för avfärgningen i pH 13 och pH 14. Vilket samband har man mellan pH och reaktionshastigheten?
Tillsatserna
Bild: © Svante Åberg

Tips: Man kan använda ett tredje provrör med rödkålsindikator och buffert pH 10 som referens (jämförelse). Vid pH 10 har rödkålsindikatorn samma gröna färg som vid högre pH, men är stabil.

Variation 1: Om reaktionen är för snabb

Reaktionshastigheter kan vara ganska känsliga för den kemiska miljön. Om lösningen blir för mycket avfärgad under de första 60 sekunderna sedan man tillsatt pH 13 blir det svårt att bedöma den fortsatta färgförändringen. Om hastigheten är för hög kan du göra något av följande.

Starta andra reaktionen tidigare

Man kan då nöja sig med tex 20 sekunder väntetid innan man blandar lösningen med pH 14.

Gå ner ett pH-steg

En annan möjlighet är att använda sig av pH 12 och pH 13 i stället för pH 13 och pH 14. Reaktionen tar då mycket längre tid. Beredning av dessa görs så här:

Variation 2: I stället för rödkål

Man kan använda blåbärssaft (utan socker eller andra tillsatser) i stället för rödkålssaft. Även andra växter som innehåller antocyaniner kan användas om de ger tillräckligt koncentrerad saft vid urkokningen.

Förklaring

Nedbrytningen av antocyanin sker snabbare ju högre halten av hydroxid, [OH-], i lösningen är. Om nedbrytningshastigheten är proportionell mot [OH-] så bör hastigheten vara tio gånger högre vid pH 14 än vid pH 13. pH-skalan är nämligen sådan att ökning med en pH-enhet medför att [H+] minskar med en faktor 10 och [OH-] ökar med en faktor 10.

Ur experimentet kan man beräkna förhållandet mellan reaktionshastigheterna som (60+x)/x. Om du t.ex. uppmätt x = 7 s så blir kvoten 67/7 = 9,6.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Rödkålsindikatorns färger

Antocyaniner

I rödkålsindikatorn finns antocyaniner som är röda i starkt sur miljö, violetta vid svagt sura till neutrala pH och blå från ungefär pH 7 och uppåt på den basiska sidan. Vi höga pH, från 12 och uppåt, bryts antocyaninerna ner genom oxidation. De förlorar då sin färg.

Nedbrytning av antocyanidin
Nedbrytning av antocyanidiner i alkalisk miljö

Antoxantin

Utöver antocyaninerna finns även 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.

Rödkålsindikatorns gröna färg vid höga pH är blandfärgen av blå antocyanin och gul antoxantin. Men eftersom de blå antocyaninerna avfärgas vid mycket höga pH så ändras lösningens färg från grön till gul.

Rödkålsindikatorns färger
Bild: © Svante Åberg

Varför har man inte 1 M NaOH för pH 14?

Några pH-samband ur skolboken
pH = -log[H+][H+] = 10-pH
pOH = -log[OH-][OH-] = 10-pOH
pH + pOH = 14 = pKw[H+]·[OH-] = 10-14 = Kw

Vid låga koncentrationer är reaktiviteten hos ett ämne, i detta fall OH-, proportionell mot halten. Men vid höga koncentrationer blir det trängsel i lösningen så att hydroxidjonerna kommer i vägen för varandra när de ska reagera. Hydroxidjonerna har ju alla negativ laddning och stöter därför bort varandra. Detta gör att den effektiva koncentrationen är lägre än den faktiska. För att ta hänsyn till detta har man infört begreppet aktivitet. Aktiviteten är lika med koncentrationen när halterna är låga, men vid höga koncentrationer är aktiviteten lägre än koncentrationen. Det krävs alltså koncentrationen c = 1,865 M NaOH för att få aktiviteten a = 1,000 M.

Vanligen ser man formeln pOH = -log[OH-] som definition av pOH, men den gäller bara vid koncentrationer under cirka 0,01 M, dvs. för pH < 12. Vi högre koncentrationer måste man använda med korrekta definitionen pOH = -log[aOH-].

Observera att motsvarande resonemang gäller för definitionen av pH. pH = -log[H+] gäller för [H+] < 0,01 M. Den korrekta definitionen är pH = -log[aH+].

En teori som förutsäger aktiviteten hos partiklar med olika jonradier är Debye-Hückels teori. [1,2] Den är dock för avancerad för att ta upp här, utan hör hemma på universitetsnivå.

Kinetiken

Obs! För enkelhets skull talar vi om halter [OH-] i resonemanget nedan, men egentligen ska det vara aktiviteter aOH- om man ska vara noga.

Det mesta blir kvar av ett ämne som tillsatts i stort överskott

Rektionen i experimentet kan skrivas

antocyanin   +  ½O2  +  OH-       1,3,5-trihydroxibensen   +  4-hydroxibensoesyra  

Ämnen förbrukas i proportion till koefficienterna i reaktionsformeln, dvs det förbrukas lika mycket antocyanin och hydroxid och hälften så mycket syrgas. Om hydroxid och syrgas förekommer i mycket större mängd än antocyanin så kommer nästan all hydroxid och syrgas att finnas kvar när antocyaninen är slut. Det betyder att halterna hydroxid och syrgas förblir nästan konstanta under reaktionen.

Hydroxiden förekommer definitivt i stort överskott vilken gör att man kan räkna på konstant halt under reaktionsförloppet. Att syrgasen förekommer i stort överskott är inte lika säkert. Det kan alltså ha betydelse hur väl syresatt vattnet är respektive hur koncentrerad lösning av rödkålssaft (antocyanin) vi bereder.

Reaktionsordningen anger hur reaktionshastigheten beror av halterna

Reaktionshastigheten beror på halterna antocyanin, löst syrgas och hydroxid, [OH-]. Reaktionens hastighet kan tecknas med uttrycket v = konstant·[antocyanin]p·[O2]q·[OH-]r. Man säger att hela reaktionens ordning är p + q + r. Värdena på p, q och r är ofta heltal, men behöver inte var det.

Genom att hålla halterna antocyanin och syrgas konstanta och undersöka två olika (men konstanta) halter [OH-] så kan man bestämma reaktionsordningen r med avseende på hydroxid ur uttrycket vOH- = konstant·[OH-]r. Vill vi renodla studiet av pH:s inverkan så bör halten antocyanin vara mycket mindre än syrgashalten . Därför bör vattnet vara väl syresatt, gärna taget direkt ur kallvattenkranen, och man bör undvika alltför koncentrerad rödkålssaft.

Hydroxidhalten ökar med en faktor 10 när man ökar pH ett steg. Vi jämför experimentet vid pH 13 med halten [OH-] och vid pH 14 med halten 10·[OH-].


Matematiskt så blir kvoten (10·[OH-])r/[OH-]r = 10r·[OH-]r/[OH-]r = 10r.

Detta sätts lika med
vpH 14/vpH 13 =
[1/tidpH 13]/[1/tidpH 12] =
tidpH 12/tidpH 13 =
(60 + x)/x.

Vi får alltså

10r = (60 + x)/x   r = lg{(60 + x)/x} 

Ett räkneexempel

Om experimentet ger tiden x = 7 s beräknar vi r = lg{67/7} = lg 9,57 = 0,98. Reaktionsordningen är praktiskt taget 1, vilket betyder att reaktionshastigheten är alltså ungefär proportionell mot hydroxidhalten: v = konstant·[OH-]

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

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

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.

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

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

Vatten

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Den kemiska formeln är alltså H2O. Vatten är det enda kemiska ämne som naturligt förekommer både i fast, flytande och gasform. Det är också ett av de absolut vanligaste ämnena på jorden.

Vattnets ovanliga egenskaper

Vatten har en ovanligt stor förmåga att lagra värme. Oceanerna spelar en viktig roll i jordens klimat genom att stabilisera temperaturerna. Vattenströmmarna i haven transporterar varmt vatten från ekvatorn mot polerna och kallt vatten från polerna tillbaka mot varmare områden. Dessa strömmar djupt ned i havet är som gigantiska osynliga floder som slingrar sig runt hela jordklotet. Strömmarna bidrar också till att transportera näring till områden där djur- och växtliv frodas i överflöd.

Vattnet är tyngst vid +4 °C.
Bild: © Svante Åberg

Vatten har den ovanliga egenskapen att när det fryser (stelnar), så får den fasta formen av ämnet lägre densitet än den flytande. Den lägre densiteten gör att is flyter ovanpå vatten. Tack vare det bottenfryser inte sjöar. I stället lägger sig isen som ett värmeisolerande täcke ovanpå sjöarna och fiskar, grodor och växter kan leva vidare i väntan på nästa vår. Snön som lägger sig ovanpå isen är extra värmeisolerande på grund av att den innehåller mycket luft. Snön är också fruset vatten, men snökristallerna gör att den inte packas så tätt.

Vatten är också ett ovanligt bra lösningsmedel. Det är ett polärt lösningsmedel, vilket innebär att det har förmågan att lösa ämnen som är mer eller mindre laddade. Det medför att vatten kan lösa salter ur jorden och berggrunden, men också att vatten kan lösa de många olika biologiska molekyler som finns i cellerna i djur och växter. Lösta ämnen kan diffundera, dvs. spridas ut i vätskan. Tack vare det kan olika molekyler träffa på varandra i cellvätskorna och reagera. Om molekylerna inte hade denna rörlighet skulle de biokemiska reaktionerna i kroppen stanna av och vi skulle varken kunna röra oss, tänka eller växa.

Vatten har ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen gör vattendroppar runda, gör så att skräddare kan gå på vattenytan. Ytspänningen ger också kapillärkraft som hjälper träden kan "dra" upp vatten via sina kärl flera 10-tals meter. Det är mycket mer än när man har en vanlig sugpump. Då är 10 m den maximala höjden man kan pumpa vatten (beroende på att atmosfärstrycket inte motsvarar en högre vattenpelare än så).

Vattnet är livsnödvändigt

Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena på jorden. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Vatten är en mycket stabilt ämne. Det vatten som finns på vår planet är därför till stora delar mycket gammalt, speciellt det som finns på stort djup i marken och bergen. Men trots att vatten är mycket stabilt så deltar det i de kemiska reaktioner som sker i samband med fotosyntes och respiration. Fotosyntes och respiration fungerar som ett kretslopp i naturen. I fotosyntesen kopplas vatten samman med koldioxid när sockerarter och andra organiska ämnen byggs upp. Stärkelse är exempel på en sockerart som växterna bildar för att lagra energi. Cellulosa och lignin som finns i veden är ett annat exempel.

När djur och människor äter växter förbränns maten och sönderdelas till vatten och koldioxid igen. Kretsloppet i naturen är ett nollsummespel där mängden vatten i stort sett inte ändras. Vattnet som binds i växter och djur kommer snart tillbaka ut i naturen igen och bildar moln, regn och vattendrag.

Eftersom vi är så beroende av vatten för att dricka och laga mat, tvätta oss, för bevattning av odlingsmark, i olika industriella processer med mera, så är vattenkvalitén viktig. Vanligen duger bara sötvatten. Men av allt vatten på jorden är bara en mycket liten del sötvatten. Och av sötvattnet är det mesta bundet i glaciärer. Visserligen har vi gott om rent sötvatten i vårt land, men i många länder är rent vatten en bristvara. Det är därför väldigt viktigt att vi inte förorenar det rena sötvatten som finns, utan är rädd om det och använder det på ett förståndigt sätt.

Vattnet blev referens för temperaturskalan

Vattnets fryspunkt är 0 °C och kokpunkten 100 °C vid normalt lufftryck. Det är ju praktiskt och enkelt med så jämna siffror. Det blev så därför att man valde vatten som referens när temperaturskalan skulle definieras på förslag av Anders Celsius åt 1742. I själva verket satte Anders Celsuis 0 °C vid kokpunkten och 100 °C vid fryspunkten, men senare insåg man att det var mer logiskt att ha det högre värdet när det var varmare. På förslag av Carl von Linné vände man på skalan efter Celsius död, så han Anders Celsius fick själv inte veta att det hade hänt.

När man sedan insåg att det finns en absolut nollpunkt på temperaturskalan definierade man Kelvin-skalan. Avståndet mellan värdena i Kelvin-skalan är exakt lika stort som i Celsius-skalan, men de har olika nollpunkter:
0 K = -273.15 °C och 0 °C = + 273.15 K

Vätebindningar karaktäriserar vattenmolekylen

Vätebindningarna i vatten.
Modifierad av Michal Manas, original av Qwerter (modell): CC BY-SA 3.0, bild

Vattnets polaritet är mycket hög. Polariteten beror på vätebindningar. Vätebindningen är en extra stark dipolbindning som håller samman de olika laddade ändarna hos två vattenmolekyler. Vattenmolekylens syre är lite minusladdad på grund av att syret drar till sig elektronerna i molekylen effektivt. De två vätena är lite plusladdade eftersom de inte drar till sig elektronerna lika bra och den positiva laddningen väteatomens kärna då överväger. Men som helhet är vattenmolekylen oladdad.

Vätebindningarna ger hög ytspänning

Tack vare vätebindningen attraherar vattenmolekylerna varandra extra mycket. Vätebindningarna får vattenmolekylerna att hålla samman i långa kedjor och nätverk, men det är bindningar som hela tiden bryts och återbildas. Styrkan i vätebindningen gör att både smältpunkten och kokpunkten är betydligt högre än man annars skulle förvänta sig.

Vätebindningen gör också att vatten har en ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen är ett mått på den sammanhållande energin i vätskeytan.

Vinklad molekyl ger hexagonal struktur

I flytande vatten (vänster) är strukturen oordnad. I fast is (höger) är strukturen ordnad hexagonal och tar då större plats.
Bild: © Svante Åberg

Vätebindningen och det faktum att vattenmolekylen är vinklad gör att vatten i kristallform, dvs. is, har en hexagonal (sexkantig) struktur med tomrum inuti sexhörningarna. Dessa tomrum gör att isen har lägre densitet än flytande vatten.

Det normala är att densiteten hos en vätska ökar när temperaturen sjunker. Det beror på att molekylrörelserna blir mindre häftiga och molekylerna därför inte knuffar bort varandra lika mycket. Även vatten ökar sin densitet när temperaturen sjunker, men bara ned till +4 °C. Blir det ännu kallare minskar densiteten igen. Det beror på att den hexagonala strukturen som vätebindningarna och den vinklade vattenmolekylen orsakar börjar bildas så smått redan innan vattnet fryser till is.

Vattnets syra-basegenskaper

Vatten är ett amfotert ämne. Det betyder att vatten kan fungera både som syra och som bas. Vatten deltar därför i många syra-basreaktioner. Till exempel reagerar vatten med koldioxid och bildar kolsyra som sedan bildar vätekarbonat och karbonat. Det finns flera gaser som bildar syror tillsammans med vatten. Till exempel reagerar svaveltrioxid till svavelsyra och kvävedioxid reagerar med vatten till salpetersyra.

Surhetsgraden anges med pH. pH är definierat bara i en vattenlösning, så vatten är i praktiken universallösningsmedlet för syror och baser i kemiskt arbete.

Litteratur

  1. D. A. Skoog, D. M. West, F. James Holler, Analytical Chemistry, 1992, 6th ed., Saunders College Publishing.
  2. Calculation of activity coefficients (Debye-Hückel equation), Northeastern University, Boston, Massachusets
    http://www.chem.neu.edu/Courses/1221Tom/99Lecture10/sld005.htm (2003-09-18)
  3. The Red Cabbage Riddle, College of Agricultural Sciences, Penn State University
    http://agexted.cas.psu.edu/FCS/4hfl/RedCabbage.html (2006-09-02)
  4. Red Cabbage Tells the Tale, College of Agricultural Sciences, Penn State University
    http://agexted.cas.psu.edu/FCS/4hfl/RedIndicator.html (2006-09-02)
  5. Structure of anthocyanidins, The University of the West Indies, Mona Campus
    http://wwwchem.uwimona.edu.jm:1104/spectra/chime/anthocy.html
  6. Flavonoids Explained, Chocolate Information Center
    http://www.chocolateinfo.com/sr/sr_article_13.jsp (2003-09-18)
  7. Flavonoid Antioxidants, The Phytochemistry of Herbs
    http://www.herbalchem.net/PhenolicsInterm.htm (2003-09-18)
  8. Antioxidant Flavonoids: Structure, Function and Clinical Usage, Alan L. Miller
    http://www.thorne.com/altmedrev/fulltext/flavonoids1-2.html (2003-09-18)
  9. A Healthy Look at Sweet Cherries, Washington State Fruit Commission
    http://www.nwcherries.com/metaIV.html (2003-09-18)
  10. Flavonoids, Georges-Louis Friedli, Friedli Enterprises
    http://www.friedli.com/herbs/phytochem/flavonoids.html (2003-09-18)
  11. Flavonoids, Frank Cheng, University of Idaho
    http://oxygen.chem.uidaho.edu/ifcheng/seminars/
    Mark's%202002%20research%20seminar%204.ppt (2003-09-18)
  12. Food Colourants Module, Faculty of Agricultural Sciences, UBC
    http://www.agsci.ubc.ca/courses/fnh/410/modules.htm#Colour (2003-09-18)
  13. Nobel Prize in Chemistry 1915 (Willstätter: antocyaniner mm), The Nobel Foundation
    http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1915/index.html (2003-09-18)
  14. Thin-layer chromatography of Anthocyanins, Purdue University
    http://www.hort.purdue.edu/hort/courses/hort301/antho/index.htm (2003-09-18)
  15. 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 (2003-09-18)
  16. UV spectral data and Rf values for selected anthocyanins, Kornaga et al.
    http://www.epress.com/w3jbio/vol2/kornaga/table2.html (bruten)
  17. Anthocyanins protect DNA from UV damage, Ann E. Stapleton and Virginia Walbot
    http://www.agron.missouri.edu/mnl/66/169stapleton.html (2003-09-18)
  18. Anthocyanin Biosynthesis, Max-Planck-Institut für Züchtungsforschung
    http://www.mpiz-koeln.mpg.de/~stueber/snapdragon/biochemistry/anthocyanin.html (2003-09-18)
  19. Chemistry of Autumn Leaf Color, About.com
    http://chemistry.about.com/library/weekly/aa082602a.htm (2003-09-18)
  20. The Chemistry of Autumn Colors, Bassam Z. Shakhashiri
    http://scifun.chem.wisc.edu/chemweek/fallcolr/fallcolr.html (2003-09-18)
  21. Autumn Color in Trees - Why do leaves change color?, Russell E. Carlson, Tree Tech Consulting
    http://www.tree-tech.com/techrpt/autumncolor.html (2003-09-18)
  22. Weather Affects Fall Colours, Nature North
    http://www.naturenorth.com/fall/colors/color7.html (2003-09-18)
  23. Horticulture Solution Series - Anthocyanin, University of Illinois
    http://www.ag.uiuc.edu/~robsond/solutions/horticulture/docs/anthocy.html (2003-09-18)
  24. Purple/Red Cabbage pH Indicator Demo, University of California, Berkley
    http://www.cchem.berkeley.edu/~demolab/demo_txt/CabbIndic.htm (2003-09-18)
  25. Cabbage Water - an indicator for pH, The pH Factor, Miami Museum of Science
    http://www.miamisci.org/ph/phcabbage.html (2003-09-18)
  26. Cabbage Juice - pH indicator, MadSci Network
    http://www.madsci.org/experiments/archive/859332497.Ch.html (2003-09-18)
  27. Exploring Acids and Bases, Bassam Z. Shakhashiri, University of Wisconsin-Madison
    http://scifun.chem.wisc.edu/HOMEEXPTS/ACIDBASE.html (2003-09-18)
  28. Anthocyanin, Jack Sullivan
    http://www.charlies-web.com/specialtopics/anthocyanin.html
  29. Mendelian inheritance, Michael Knee, Ohio State University
    http://www.hcs.ohio-state.edu/hcs300/genetic.htm (2003-09-18)
  30. Coordinator's Report: Anthocyanin genes, B. Jende-Strid, Carlsberg Research Laboratory
    http://greengenes.cit.cornell.edu/bgn/v24p162.html (2003-09-18)
  31. Rödkål, Frukt och Grönt Främjandet
    http://www.fruktogront.se/produkter/asp/a_mall.asp?ID=108 (2003-09-18)
  32. Rädisa, Frukt och Grönt Främjandet
    http://www.fruktogront.se/produkter/asp/a_mall.asp?ID=145 (2003-09-18)
  33. Anthocyane als pH-Indikatoren und Komplexbildner, P. Keusch, Universität Regensburg
    http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/nat_Fak_IV/Organische_Chemie/Didaktik/Keusch/p26_anth.htm (2003-09-18)
  34. Les anthocyanes, Mourad Elhabiri
    http://membres.lycos.fr/mourad/anthocyanes.html (2003-09-18)
  35. Betalaine Antocyane, Erhard Karls Universität Tübingen
    http://www.uni-tuebingen.de/plantphys/teaching/ppk/partF/PPk_F.pdf (2003-09-18)
  36. Cracking Nature's Color-Code for Flowers, Jan Suszkiw, Agricultural Research Service
    http://www.ars.usda.gov/is/kids/plants/story2/flower.htm (2003-09-18)

Fler experiment


kemiska reaktioner
Elda stålull
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Framkalla fotopapper
Kallrörd vaniljkräm och saliv
Kemi i en plastpåse
Kemisk klocka med jod
Massverkans lag och trijodidjämvikten
När fungerar enzymet bäst?
Reaktionshastighet med permanganat
Självantändning med glycerol och permanganat

organisk kemi, kolföreningar
Framställ väldoftande luktämnen
Frigolit i aceton
Gummibandets elasticitet
Hur kan man göra kläder av plast?
Identifiera plasten
Kan man tapetsera med abborrar?
Permanenta håret
Platta yoghurtburkar
Undersök en- och flervärda alkoholer
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?

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
Pelargonens färg
pH i kokt mineralvatten
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