Den frysande bägaren

Tillhör kategori: aggregationsformer, fysikalisk kemi, jämvikt

Författare: Pontus Westman

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

Den frysande bägaren

Frätande Giftigt 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Det här handlar om en experiment som skapar kyla. Det är en ovanlig reaktion som egentligen inte borde kunna ske. Spontana kemiska reaktioner brukar avge energi så att det skapas värme, men det finns en annan drivkraft som kan få reaktionen att gå "baklänges".

Riktlinjer

Eftersom kemikalien bariumhydroxid i detta experiment ska handhas med stor varsamhet, så bör försöket genomföras som en lärarledd demonstration.

Vid experimentet bildas ammoniakångor som har en stickande lukt, dock i måttlig mängd. Experimentet bör utföras i ett rum där du kan ventilera bort ammoniaken så snart demonstrationern är klar.

Säkerhet

Varning! Bariumhydroxid är frätande på ögon och hud. Kan orsaka andningsstillestånd, njurskador och konvulsioner om den sväljs! (MSDS)

Varning! Ammoniumnitrat är explosivt vid upphettning. Får inte förvaras tillsammans med oxiderbara ämnen (organiska ämnen, t.ex.). (MSDS)

Det går bra att hälla ut avfallet från experimenteti slasken, men spola ordentligt med vatten efteråt.

Materiel

Förarbete

Se till att du kan genomföra experimentet där ammonikaångorna som bildas kan ventileras bort.

Utförande

Observera! För säkraste resultat ska bägaren sättas på den fuktiga träbiten omedelbart när kemikalierna är blandade (kan med fördel stå på plats hela tiden). Var alltså förberedd med alla saker på sin plats innan du börjar.

  1. Fukta träbiten med en liten mängd vatten och sprid ut vattnet på en yta motsvarande bägarens botten. Träbiten ska vara så plan som möjligt.
  2. Ställ ena bägaren på den fuktade delen av träbiten.
  3. Väg upp 32 g bariumhydroxid oktahydrat och sätt till bägaren som står på träbiten.
  4. Väg upp 17 g ammoniumnitrat i den andra bägaren.
  5. Sätt ammoniumnitratet till bägaren med bariumhydrioxid.
  6. Rör genast om salterna för att få en snabb reaktion.
  7. Vänta ett par minuter.
  8. Lyft bägaren med blandningen. Träbiten är nu fastfrusen.

1. Träbiten fuktas.

2. Salterna tillsätts.

3. Ämnena blandas.

4. Vid reaktionen frigörs kristallvatten.

5. Det blir så kallt att bägaren fryser fast.
Temperaturen kan sjunka så mycket som till -20 eller -30 grader Celsius.
Foto: © Svante Åberg

Kommentar: Det går bra att använda mindre mängder av kemikalierna, men se till att proportionen bariumhydroxid oktahydrat : ammoniumnitrat är cirka 2:1.

Det går bra att portionera kemikalierna skedvis i stället för att väga (t.ex. 8 teskedar bariumhydroxid oktahydrat + 4 testekdar ammoniumnitrat). Proportionen blir inte helt rätt, men experimentet fungerar ändå.

Förklaring

De två salterna löser sig i kristallvattnet som avges från bariumhydroxiden. Det är en energikrävande, endoterm process. Energin tas i form av värme från den närmaste omgivningen, vilken är saltblandningen själv, bägarens botten och fukten under den. Temperaturen sjunker så mycket att bägaren fryser fast.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Reaktionsenergier

Reaktionsformel

Ba(OH)2·8H2O(s) + 2 NH4NO3(s) + värme → Ba(NO3)2(s) + 2 NH3(aq) + 10 H2O(l)

Det intressanta i reaktionen är att kristallvatten som finns bundet i bariumhydroxiden frigörs och bildar vatten i vätskeform som löser en del av salterna och ammoniaken. Dessutom bildas vatten när hydroxidjoner reaggerar med ammoniumjoner. Oordningen ökar genom att lösningen bildas och det är här som förklaringen till att reaktionen kan ske finns. Att bryta bindningarna till alla dessa vattenmolekyler kräver så mycket energi att reaktionen blir endoterm.

Drivkrafterna energi och entropi

Det finns två drivkrafter bakom kemiska rekationer. De två drivkrafterna kan samverka med varandra eller motverka varandra. Vad som till slut faktiskt sker beror på vilken drivkraft som är starkast.

För det ena tenderar reaktionen att avge energi så att ämnena hamnar i ett så lågt energitillstånd som möjligt. Det kan jämföras med att en boll självmant rullar ner i en grop där lägesenergin är som lägst. När energi avges sker det vanligen i form av värme till omgivningen. Man märker att det blir varmt.

För det andra tenderar ämnen att gå från ordning till oordning. Det kan jämföras med att kan har en låda med röda och gröna bollar. Om de röda bollarna ligger överst och man skakar lådan så kan man vara nästan säker på att bollarna är blandade när efter en stund. Om man i stället tänker sig att man börjar med de röda och gröna bollarna blandade och skakar låda är chansen att alla röda bollar ska lägga sig ovanpå de gröna minimal. Detta är en sannolikhetseffekt som grundar sig i att det bara finns ett sätt att lägga alla röda bollar överst och gröna underst, men det finns oerhört många sätt att blanda bollarna. Graden av oordning anges med begreppet entropi. Den spontana reaktionsriktningen är alltså mot ökande entropi.

I experimentet medför den kemiska reaktionen att energi tas upp, dvs. motsatsen till den reaktion som skulle ske spontant. Att denändå sker beror på att entropin ökar så mycket när salterna går i lösning. Saltlösningen är mycket mer oordnad än när jonerna och vattenmolekylerna ligger ordnade i saltkristallerna. Entropiökningen vinner över önskan att minimera energiinnehållet. Den energi som tas upp vid reaktionen hämtas som värme från omgivningen. Därför blir det kallt.

Om en rekation både leder till minskat energiinnehåll och till ökad entropi, så kan man vara säker på att den är spontan. Möjligen kan ett litet tillskott av startenergi behövas för att komma över en energitröskel (aktivieringsenergin). Om en reaktion både innebär till ökat energiinnehåll och till minskad entropi kan man vara säker på att den inte sker spontant. För en sådan reaktion krävs yttre tvång, t.ex. genom kraftig upphettning eller med elektrisk ström. Det är när drivkrafterna verkar i motsatta riktningar som tveksamhet kan uppstå. Tabellen nedan illustrerar de olika fallen.

reaktionen ... ... avger energi (exoterm) ... tar upp energi (endoterm)
... leder till ökad entropi är spontan kan ev. ske
... leder till minskad entropi kan ev. ske sker endast med yttre tvång

Energiformer och omvandlingar

Entalpi

Entalpi är energiinnehållet i en kemisk förening vid konstant tryck. Energin som upptas eller avges vid en kemisk reaktion beräknas med hjälp av tabellvärden.

Entalpi definieras med formeln H = E + pV, där H är entalpi, E är ämnets inre energi, pär det rådande lufttrycket och V är systemets volym. Denna formel kan skrivas om för att beräkna skillnaden i entalpi, H. Då blir formeln såhär: H = E + pV, dvs. skillnaden i entalpi är summan av energiskillnaden och skillnaden på produkten av tryck och volym. Produkten pV är ett mått på den energi som krävs för att expandera t.ex. en gas till volymen V vid trycket p (jämför arbete = kraft·sträcka).

Reaktionsvärme

Anledningen till att man inför ett begrepp som entalpi är att man ska kunna räkna på energiförändringar i reaktionen utan att behöva tänka på produkten pV (som är lika i hela systemet). Man kan även se om en reaktion är endoterm eller exoterm enbart genom att titta på om H är positiv eller negativ. Om H är positiv så är reaktionen endoterm, om H är negativ så är reaktionen exoterm. Det bekräftar definitionen på dessa reaktioner. En exoterm reaktion avger värme (neg. H), medan en endoterm reaktion tar upp värme (pos. H).

Bindningarna innehåller energi

När en kemisk reaktion sker måste antingen energi tas upp eller avges. Detta pga. att bindningarna i ämnena bryts eller så skapas nya bindningar. För att bryta en bindning krävs oftast mycket energi. Det är precis det som händer i detta experiment. Energin tas från omgivningen som därför blir kallare. Motsatsen sker när bindningar skapas. Då avges energi. I de flesta kemiska reaktioner både bryts och skapas bindningar. Det är då nettoenergin, dvs. skillnaden mellan avgiven och upptagen energi, som avgör om reaktionen som helhet är exoterm eller endoterm.

Energin vid fasövergångar

Smältvärme (även kallad smältentalpi) är den mängd energi som krävs för att få ett kilogram av ett ämne att övergå från fast till flytande form (smälta). För vatten är detta värde 333 kJ/kg, dvs. det krävs 333000 Joule för att smälta ett kilo is med temperaruren 0°C.

Specifik värmekapacitet

För att höja temperaturen hos en kropp krävs energi. Hur mycket energi som krävs beror på hur många grader temperaturen ska öka, hur mycket material som kroppen består av och vilket material kroppen består av. För att kunna jämföra hur mycket värmeenergi som olika material kräver (kan lagra) så använder man storheten specifik värmekapacitet. Den anger hur många Joule man måste tillföra för att värma 1 kg av materialet 1 Kelvin (lika mycket som engrad Celsius). Enheten blir (J/kg·K). Som exempel behöver 1 kg vatten 4,18 kJ för att dess temperatur skall öka en grad.

Fördjupning

Aggregationsform

Faserna och fasövergångarna

Allt som finns runtomkring oss är antingen fast, flytande (vätska) eller i gasform. Dessa former kallas aggregationsformer (aggregation = hopklumpning) eller faser. Atomerna (eller molekylerna) i de olika faserna har olika stort energiinnehåll, olika stor rörelse, och har därför olika volym.

Fast form vid låg temperatur

Vid den absoluta nollpunkten, -273°C = 0 K, finns ingen atomrörelse (K är Kelvin, enheten för absolut temperatur). Alla ämnen är fasta och atomerna ligger regelbundet ordnade så tätt som möjligt. Om temperaturen höjs börjar atomerna vibrera kring sina jämviktslägen. Det fasta ämnet behåller sin form och inom måttliga temperaturintervall och volymen är nästan konstant. Massan är densamma.

Den lilla utvidgning som sker vid värme kan räcka för att lossa en mutter genom att värma på den. Förr var man tvungen att lägga järnvägsräls med mellanrum i skarvarna, för att undvika att rälsen böjde sig under varma dagar, s.k. solkurva. Nutidens järnvägsräls läggs av en formbeständigare metallblandning.

Övergår till vätska (blir flytande) när temperaturen når smältpunkten

När temperaturen stiger ytterligare rubbas atomerna ur sina jämviktslägen. De börjar glida i förhållande till varandra och har blivit en vätska. Fasövergången sker vid smältpunkten. Så länge det finns fast material ligger temperaturen kvar på smältpunkten och stiger inte, även om man tillför värme. Det beror på att all energi går åt till fasövergången. Vätskor ändrar form efter de kärl de förvaras i och har i allmänhet något större volym än samma ämne i fast form (Känt undantag är is, som har större volym än samma mängd vatten pga lucker kristallstruktur hos isen). Mellan molekylerna i vätskan finns sammanhållande krafter. Massan är densamma i vätskan som i den fasta fasen.

Övergår till gas när temperaturen når kokpunkten
En gas fyller upp hela det kärl som den förvaras i.
Bild: © Svante Åberg

Om temperaturen i vätskan höjs, ökar molekylernas rörelseenergi och till slut får några så stor energi att de lämnar den flytande fasen. Övergången från vätska till gas sker när temperaturen nått kokpunkten. Det har bildats en gas. Gasen har ingen bestämd form. Den anpassar sig efter det utrymme den finns i, eftersom molekylerna är helt fria från varandra och färdas rakt fram ända till dess de stöter på någonting, som kan vara kärlets väggar. De krockar också med varandra och byter riktning men dessemellan färdas de "långa" sträckor i absolut tomrum. Gasen har mycket större volym än samma mängd ämne i flytande form och molekylerna i en gas är så långt ifrån varann att de inte påverkar varann. Därför blandas olika gaser lätt. Volymen hos en gas är beroende av temperaturen. Med högre temperatur ökar molekylernas rörelsehastighet, krockarna mellan molekylerna och väggarna blir hårdare. Kollisionerna med väggarna är det vi kallar tryck. Kan väggen utvidgas ökar volymen, i annat fall ökar trycket. Massan är densamma.


Fasövergångarna har bestämda namn. När temperaturen öker sker smältning och förångning (kokning). När temperaturen minsakar sker de motsatta processerna som kallas kondensation och stelning. Observera att smältpunkten och stelningspunkten är exakt samma temperatur. På motsvarande sätt är kokpunkten och kondensationspunkten (för den rena gasen) samma temperatur.

Sublimering


Fasdiagram för koldioxid.
Ben Finney Mark Jacobs: CC0

Fasta ämnen kan övergå direkt till gas utan att först bli vätska. Förutsättningen är att temperatur och tryck befinner sig under ämnets trippelpunkt i ett fasdiagram. Man säger att ämnet sublimerar. Det är en endoterm process, dvs. en process som kräver energitillförsel. Oftast tas energin i form av värme från om givningen, vilket innebär att temperaturen sjunker.

Den motsatta processen när gas övergår direkt till fast form utan att först bilda en vätska kallas desublimering eller deposition. Den processen är exoterm, dvs. avger energi, vanligen i form av värme. Även denna process kan bara ske när tryck och temperatur ligger under ämnets trippelpunkt.

Superkritisk vätska

Över en viss temperatur och visst tryck går det inte längre att urskilja någon fasgräns mellan vätska och gas. Densiteten är hög, praktiskt taget som hos en vätska. Den höga temperaturen får molekylerna att fritt röra sig mellan faserna så att fasgränsen upplöses.

Den superkritiska vätskan har egenskaper utöver det vanliga. Den har förmåga att diffundera genom många fasta material på samma sätt som en gas gör. Samtidigt har den förmåga att lösa ämnen på samma sätt som en vätska gör. Förmågan att fungera som lösningsmedel gör att den i vissa tillämpningar kan ersätta organiska lösningsmedel, till exempel i extraktioner.

Koldioxid är ett ämne som ofta används i tillämpningar med superkritiska vätskor.

Plasma är en fjärde aggregationsform

De tre vanliga aggregationsformerna fast, flytande och gas bestäms av bindningarna mellan atomerna eller molekylerna. Ju varmare det är, desto lösare är atomer och molekyler kopplade till varandra.

Men vid tillräckligt hög temperatur sker någon helt annorlunda, nämligen att elektroner i atomerna slits loss och man får en blandning av positiva atomjoner och fria elektroner. Det är en typ av gasblandning som är elektriskt ledande.

Solen innehåller plasma

Sådan plasma finns i solens atmosfär. Eftersom den är elektriskt ledande, så fångar plasman också upp de starka magnetfälten från solens inre. Vid soleruptioner slungas plasma ut i världsrymden och man kan se hur magnetlinjerna i plasman håller samman plasman i böljande stråk. Dessa utkastningar av laddade partiklar strålar sedan vidare ut från solen och når så småningom jorden. Eftersom rymden är så tom har elektronerna och atomjonerna svårt att hitta varandra igen och återförenas till normala atomer. Därför är partikelstrålningen från solen elektriskt laddad. När partiklarna kommer in i jordens magnetfält tunnlas de ned via magnetfälten vid nord- och sydpolen. När de laddade partiklarna kommer ned till jordatmosfären sker kollisioner med luftens atomer och molekyler. De energier som då utvecklas ger det norr- och sydsken som man kan se mörka, klara vinternätter.

Andra exempel på plasma

I blixtar blir också temperaturen tillräckligt hög för att luftens atomer ska bilda plasma. Det gör att elektriska urladdningar kan ske via blixtens väg mellan molnen och jorden.

En eldslåga innehåller plasma. Faktiskt avger en stearinljuslåga joner till den omgivande luften. Dessa joner kan urladda statisk elektricitet. Om du har en dammvippa av syntetiska fibrer och du har laddat upp den med statisk elektricitet, så kan du observera vad som händer om du närmar den ett brinnande ljus. Redan på håll, så urladdas den statiska elektriciteten. Det beror på att jonerna accelereras till vippan av det elektriska fältet kring den statiskt uppladdade vippan. Detta experiment fungerar bara om luften är tillräckligt torr, annars kan man inte ladda upp vippan. Därför fungerar experimentet bäst vintertid då inomhusluften är torrare.

Konstgjord plasma finns också i lysrör och i plasmaskärmar för datorer.

Fasövergångar och bindningar

Det är lätt att konstatera att smält- och kokpunkter för ämnen kan variera mycket. Vissa ämnen är svåra att tänka sig på annat än ett sätt till vardags. Sten, koksalt och stål är fasta, bensin och alkohol är flytande och luft och gasol är gaser. Många vet också att i extrema fall, t ex i vulkaner, flyter mineralerna (stenen) och att när man svetsar flyter stålet. Det enda ämne man i vardagen möter i alla tre aggregationsformerna är vatten.

Starka bindningar ger höga smält- och kokpunkter

Mineraler och metaller är alltså exempel på ämnen med hög smältpunkt. Att det är så beror på styrkan hos de bindningar som håller ihop ämnena. Alla salter är uppbyggda av joner.

Attraktionskraften mellan positiva och negativa joner, jonbindning, är stark och salter har därför hög smältpunkt.

Mellan de enskilda atomerna i en metall finns metallbindning. Metallbindningen utgörs av de ingående atomernas valenselektroner som bildar ett gemensamt elektronmoln för hela "metallbiten". För att bryta den bindningen krävs mycket energi, vilket ger hög smältpunkt. Ett känt undantag är kvicksilver, en metall som är vätska vid rumstemperatur och alltså har svagare metallbindning.

Även kovalent bindning när atomer delar elektroner kan vara mycket stark. Faktum är att diamant och grafit, kolatomer sammanhållna av kovalenta bindningar har högre smältpunkt än alla metaller.

Svaga bindningar ger låga smält- och kokpunkter

Ämnen uppbyggda av molekyler (eller atomer som i ädelgaserna) har starka kovalenta bindningar mellan atomerna inom molekylerna men svagare bindningar mellan molekylerna. Det gör att smält- och kokpunkten blir relativt låg.

Den svagaste bindningen finns mellan molekyler och atomer är van der Waalsbindning. Den uppkommer pga mycket tillfälligt ojämnt fördelade elektronmoln hos opolära molekyler (atomer). Bindningarna finns både i fast fas och vätskefas. Eftersom bindningen är så svag blir smältpunkten låg, i många fall nedåt eller under -200°C. Den svaga bindningen gör också att skillnaden mellan smält- och kokpunkt blir liten.

Mellan ämnen som är dipoler förekommer dipol-dipolbindning där den positiva polen hos en molekyl attraherar den negativa hos nästa. Smält- och kokpunkten blir låg men högre än med enbart van der Waalsbindning.

För vissa ämnen som är dipoler är smält- och kokpunkten oväntat hög och avståndet mellan smält- och kokpunkten relativt stort. Vatten är ett bra exempel på detta. Det måste bero på starkare bindning än enbart mellan dipoler. De ämnen som har de egenskaperna innehåller alla väte. Vätet är bundet till en fluor-, syre- eller kväveatom, som drar till sig elektronparet i bindningen. Vätet blir positivt och kan attraheras av icke-bindande elektronpar på t ex en syreatom på en intilliggande molekyl. Det bildas en vätebindning. Den är starkare än van der Waalsbindningen och dipol-dipolbindningen. Vätebindningar har stor betydelse för att stabilisera strukturen i bl a proteiner och DNA.

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. Bassam Shakhashiri, Chemical Demonstrations, Vol. 1 pp 10-12, 1983, University of Wisconsin Press, Madison, WI.
  2. Endothermic Reactions of Barium Hydroxide and Ammonium Salts, Demonstration Lab, University of Wisconsin-Madison
    http://genchem.chem.wisc.edu/demonstrations/Gen_Chem_Pages/
    06thermopage/endothermic_reactions_of_b.htm (2004-04-26)
  3. Endothermic and Exothermic Reactions, University of Minnesota's Outreach Program
    http://www.chem.umn.edu/outreach/EndoExo.html (2004-04-26)
  4. What are some examples of exothermic and endothermic processes?, General Chemistry Online!
    http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/thermo/faq/exothermic-endothermic-examples.shtml (2004-04-26)
  5. Startsida, Susning
    http://www.susning.nu/Startsida (2004-05-24)
  6. Martin S. Silberberg, Chemistry - The Molecular Nature of Matter and Change, 3rd ed., 2003, McGraw-Hill, New York, NY.

Fler experiment


aggregationsformer
Avdunstning och temperatur
Badbomber
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den tillknycklade plåtburken
En märklig planta
Ett glas luft
Exempelfil_Försvinnande bläck (Erik Lövbom)
Fryspunktsnedsättning
Förtenning
Gore-Tex, materialet som andas
Gör ditt eget läppcerat
Gör ett avtryck från papper till stearin
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur kan man göra kläder av plast?
Hur mycket vatten finns i maten?
Kemi i en brustablett
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Lödtenn 60
Molnet i flaskan
Myggmedel - hur funkar det?
Osynlig gas
Platta yoghurtburkar
Popcorn
Salta isen
Saltat islyft
Slime
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Studsboll
Syrehalten i luft
Tillverka en parfym och gör doftande skraplotter
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenvulkan
Ägget i flaskan

fysikalisk kemi
Avdunstning och temperatur
Bestäm CMC för diskmedel
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Blandningar av lösningsmedel
Blå himmel och röd solnedgång
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den tillknycklade plåtburken
Den tunga koldioxiden
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Diska med äggula
En märklig planta
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Ett glas luft
Ett lysande experiment - Kemiluminiscens
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Flaskor mun mot mun
Flyter isen i matoljan?
Frigolit i aceton
Fryspunktsnedsättning
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gelégodis i vatten
Gore-Tex, materialet som andas
Gummi och lösningsmedel
Gummibandets elasticitet
Gör ett avtryck från papper till stearin
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur mycket vatten finns i maten?
Håller bubblan?
Identifiera plasten
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Klorofyllets röda fluorescens
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Ljuset under glaset
Lödtenn 60
Löslighet och pH - En extraktion
Maizena gör motstånd
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Molnet i flaskan
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
När 1 plus 1 inte är 2
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Osynlig gas
pH i kokt mineralvatten
Platta yoghurtburkar
Salta isen
Saltat islyft
Se genom papper
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Stärkelse och vatten - fast eller flytande?
Såpbubblor
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka en ytspänningsvåg
Trolleri med vätskor
Undersök en- och flervärda alkoholer
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenrening
Vattenvulkan
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Värmeutvidgning
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

jämvikt
Anden i flaskan
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Avdunstning och temperatur
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Brus-raketen
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Flaskor mun mot mun
Framställ väldoftande luktämnen
Fryspunktsnedsättning
Färgämnen i M&M
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gummi och lösningsmedel
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur smakar salmiak?
Innehåller koksaltet jod?
Kemi i en brustablett
Kemi i en plastpåse
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Luftfuktighet och rostbildning
Löslighet och pH - En extraktion
Maskrosen som krullar sig
Massverkans lag och trijodidjämvikten
Molnet i flaskan
När flyter potatisen?
Osmos i potatis
pH i kokt mineralvatten
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Reaktionshastighet med permanganat
Saltat islyft
Superabsorbenter i blöjor
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför äter vi Samarin?
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen