Hur smakar salmiak?

Tillhör kategori: jämvikt, vardagens kemi

Författare: Mats Selberg

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

Frätande Irriterande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Fara vid felaktigt utförande

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Alla barn har någon gång ätit lakrits eller salta godisar. Vad vi egentligen äter är salmiak. Detta är ammoniumklorid som vi stoppar i oss, en förening mellan två mycket farliga ämne i sig, men tillsammans ofarliga. Vi skall här blanda ihop ammoniak och saltsyra och smaka på detta.

Riktlinjer

Försöket är lämpligt som en demonstration eller som ett grupparbete med få grupper. Läraren ska ha god uppsikt på eleverna.

Säkerhet

Koncentrerad saltsyra och koncetrerad ammoniak är starkt frätande. Använd skyddsglasögon och skyddskläder.

Dessutom är lukten mycket stark. Experimentet utförs i dragskåp.

Om olyckan är framme och du får syra eller ammoniak på huden, skölj rikligt med vatten. Skulle sveda uppstå bör du uppsöka vårdcentral.

Om du får stänk i ögonen ska du omedelbart skölja rikligt och länge med rinnande vatten. Uppsök sedan läkare.

Överblivna lösningar kan spolas ned i avloppet tillsammans med mycket vatten.

Materiel

Förarbete

Inget förarbete.

Utförande

Bild: © Mats Selberg, Svante Åberg
  1. Se till att den stora sättkolven och termometern är ren.
  2. Tag de tomma tvättflaskorna och placera dem i kärlen. Förankra dem med sand eller papper, så att flaskorna inte vickar omkull.
  3. Fyll upp flaskorna med vardera koncentrerad HCl och NH3, se till att de står stadigt i kärlen.
  4. Placera sättkolven med termometer avläst, mellan de två tvättflaskorna, stoppa ned slangarna där gasen skall komma ut i E-kolven.
  5. Pumpa tre lätta tryck i vardera flaskan. Vad händer?
  6. Efter ca 30 sek, tag upp termometern avläs temperaturen och avsmaka den ljusa kristallen på termometern. Vad smakar det?
  7. Fyll upp sättkolven med 100 ml Vatten och skaka om, undersök med ett universalindikatorpapper vilket pH lösningen har.
  8. Undersök den elektriska ledningsförmågan mellan E-kolven och vatten som finns i bägaren (100ml).

Variation 1

I stället för tvättflaskor kan man använda sprutflaskor där pipen som gå ner i flaskan gjorts kortare så att den inte når ner till vätskan. Den ånga som bildas ovanför saltsyran respektive emmoniaklösningen pumpas då ut när man trycker på flaskan.

Observera risken för förväxling! Flaskorna måste märkas väl och bör helst tömmas och sköljas ur direkt efter exerimentet så att ingen av misstag tror att de innehåller destillerat vatten!

Variation 2

Man kan också få salmiak genom att neutralisera saltsyra med utspädd ammoniaklösning. Salmiaken eller saltet kommer då att falla ut, om den neutrala lösningen får indunsta under en tid.

Förklaring

När vi pumpar in luft i de fyllda tvättflaskorna utvecklas en gasformig ammoniak som reagerar med den gasformiga vätekloriden. När de kommer i kontakt med varandra bildas det en vitt, pulverformigt ämne som i kemin heter ammoniumklorid. Ammoniumklorid (salmiak) är ett salt med formeln NH4Cl. Salmiak består då av två joner, ammoniumjoner, NH4+, och kloridjoner, Cl-.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning


Väteklorid är sur.

Ammoniak är basisk.
Foto: © Svante Åberg



Gaserna HCl och NH3 reagear och
bildar rök av ammoniumklorid.
Reaktionen får temperaturen att stiga.
Foto: © Svante Åberg

Väteklorid, ammoniak och ammoniumklorid

Polära bindningar och reaktion med vatten ger löslighet

Både väteklorid och ammoniak är molekyler med polära kovalenta bindningar mellan atomerna. Hela molekylerna blir polära, vilket gör att båda ämnena är lättlösliga i vatten. Dessutom är väteklorid är en syra och ammoniak är en bas. De reagerar därför med vattnet och bildar joner.

Väteklorid är en syra och ammoniak en bas

En syra är en partikel som kan avge protoner och vätekloridens reaktion med vatten är
HCl + H2O → H3O+ + Cl-

Som vi ser bildas oxoniumjoner, H3O+, när väteklorid löses i vatten. Det är oxoniumjonerna som syralösningen ger dess karaktäristika egenskaper. En lösning av väteklorid i vatten leder elektrisk ström bra. När väteklorid löses i vatten avger praktiskt taget alla vätekloridmolekyler sina protoner därför att vätekloriden är en stark syra. Lösningen, som kallas saltsyra, innehåller - förutom vattenmolekyler - nästan enbart oxoniumjoner och kloridjoner.

En bas är en partikel som kan ta upp protoner och ammoniakens reaktion med vatten är
NH3 + H2O → OH- + NH4+

Här bildas det alltså NH4+-joner, ammoniumjoner, och OH--joner, hydroxidjoner. Det är hydroxidjonerna som ger vattenlösningars basiska egenskaper. Ammoniakmolekylen har ett fritt elektronpar som kan ta upp en proton.

För att en partikel ska kunna reagera som en bas måste den ha ett fritt elektronpar som kan binda protonen. En syra kan avge en proton bara om det finns en bas som kan ta över protonen. En reaktion där en syra avger sin proton till en bas kallas för protolys. Syror och baser kallas med ett gemensamt namn för protolyter.

Aggregationsform

Övergången vätska - fast ämne

Om en vätska som består av molekyler kyls ner kommer molekylerna att röra sig långsammare. Attraktionskrafterna mellan dem kan då göra sig mera gällande. Vid en viss temperatur får molekylerna så låg rörelse att de inte längre kan förflytta sig i vätskan. De placerar sig då intill varandra, men inte godtyckligt utan efter ett bestämt tredimensionellt mönster. Varje molekyl får sin bestämda plats. På detta sätt bildas molekylkristaller. För de flesta ämnen minskar volymen när de går över från vätska till fast ämne. Vatten är ett av de få undantagen.

Då ett ämne upphettas ökar alltid rörelseenergin hos de partiklar - molekyler, atomer eller joner - som bygger upp ämnet. Vid en viss temperatur når vibrationerna sådan styrka att de övervinner de krafter som håller kristallens byggstenar på plats. Kristallen börjar då att smälta, tillförs mera värmeenergi kommer fler och fler av partiklarna att få så hög energi att de kan frigöra sig ur kristallen. Så länge det finns något kvar av kristallen är temperaturen konstant.

Denna temperatur är ämnets smältpunkt. När ett ämne smälter bryts alltså de bindningar som finns mellan byggstenarna i ämnets kristaller. Smältpunkten för ammoniumklorid, som ju bildas i experimentet, är cirka 340 grader Celsius.

Övergången vätska - gas

För att en vätska ska kunna övergå till gas måste partiklarna i vätskan tillföras så mycket energi, dvs. få så hög hastighet, att de förmår lösgöra sig ur vätskan. Det leder till avdunstning. Om man tillför så mycket värmeenergi att ångtrycket blir lika högt som atmosfärstrycket bildas bubblor, dvs. vätskan kokar. Ämnets kokpunkt ger en upplysning om hur starka attraktionskrafterna mellan vätskans partiklar är.

Övergång fast ämne - gas

Vissa ämnen kan direkt övergå från fast ämne till gas och vice versa. Den processen kallas sublimering. Ett exempel på ett ämne som sublimerar är jod, I2.

Väteklorid och ammoniak har låga smältpunkter
  Väteklorid Ammoniak
Smältpunkt -114 °C -78 °C
Kokpunkt -85 °C -33 °C

En typ av kristaller, molekylkristaller, är uppbyggda av molekyler. Byggstenarna binds till varandra av intermolekylära bindningar. Eftersom dessa är relativt svaga har ämnena låga smältpunkter och kokpunkter.


Vätekloridmolekylen är en dipol.
Bild: © Svante Åberg

HCl: (smältpunkt -114 °C). I föreningar som består av polära molekyler finns attraktionskrafter mellan molekylerna på grund av deras dipolkaraktär. Denna typ av intermolekylär bindning kallas dipol - dipolbindning.



Ammoniak- molekylen har ett fritt elektronpar.

Vätebindning
mellan två ammoniakmolekyler.
Bild: © Svante Åberg

NH3: (smältpunkt -85 °C). Det finns en särskilt stark intermolekylär bindning mellan molekyler. Denna bindning kallas vätebindning. Den uppkommer mellan molekyler som innehåller en väteatom direkt bunden till en starkt elektronnegativ atom. Vätebindningen är den dominerande attraktionskraften mellan molekyler där en väteatom är bunden till en flor-, syre- eller kväveatom - de tre mest elektronnegativa grundämnena.


Ammoniumkloridens smältpunkt är mycket högre

Ammoniumklorid är ett salt med formeln NH4Cl. Salmiak består då av två joner, ammoniumjoner, NH4+, och kloridjoner, Cl-. Jonföreningar är uppbyggda av joner. Jonkristaller hålls samman av elektrostatiska attraktioner mellan joner av motsatt laddning, (NH4+ och Cl-). Sådana attraktionskrafter är starka. Jonföreningar har därför hög smältpunkt och kokpunkt.

NH4Cl: (smältpunkt +340 °C). Ammoniumklorid sublimerar vid upphettning, dvs. övergår direkt från fast fas till gas, men gasen består inte av ammoniumkloridmolekyler utan av ammoniak och väteklorid. Saltet sönderfaller alltså lätt. Vid lagring avgår ammoniak kontinuerlig och ämnet blir surare efter hand.

Den heterogena jämvikten mellan vätska och gas

Kemisk jämvikt är när ett system är i ett sådant tillstånd att det inte har någon tendens att ändra sig. I vårt fall, när tvättflaskorna är stängda är det så vätekloriden i vätskefasen är i jämvikt med väteklorid i gasfasen, dvs. HCl(aq) ⇄ HCl(g). Att koncentrationerna är stabila innebär inte att reaktionen avstannat. Man säger att det är en dynamisk jämvikt, vilket innebär att de två reaktionerna HCl(aq) → HCl(g) och HCl(aq) ← HCl(g) sker lika snabbt. Nettoreultatet blir ingen plus minus noll, dvs. ingen nettoförändring. På motsvarande sätt har vi en dynamisk jämvikt med ammoniaken, NH3(g) ⇄ NH3(aq).

När vi pumpar luft genom saltsyralösningen får vi bubblor som inte är i jämvikt med saltsyran. Bubblorna innehåller för lite väteklorid. Därför sker nettoreaktionen HCl(aq) → HCl(g), dvs. väteklorid går över från saltsyran till luftbubblorna för att jämvikten ska återställas. Resultatet blir att vi hela tiden tar väteklorid för saltsyralösningen som pumpas ut tillsammans med luften. Samma sak gäller när vi pumpar luft genom flaskan med ammoniaklösning.

Reaktionsenergi

Energi och reaktivitet

Reaktiviteten hos ett ämne beror främst på hur stor energi som kan avges när ämnet reagerar och bildar nya föreningar. När en molekyl reagerar sker det i två steg:

  1. Molekylens inre bindningar bryts - detta kräver energi
  2. Bindningar skapas när det nya ämnet bildas - energi avges

Reaktionens utvecklade nettoenergi = avgiven energi i steg 2 - upptagen energi i steg 1. Om den utvecklade nettoenergin är stor är reaktionen starkt exoterm. Det innebär att energirika reaktanter bildar energifattiga produkter. En sådan reaktion har starka drivkrafter. Väteklorid och ammoniak är exempel på energirika ämnen som lätt reagear kemiskt. De är därför farliga om de hanteras på fel sätt. De bildade produkterna som är energifattiga har däremot svårt att reagera kemiskt. Det innebär att de i allmänhet inte är så farliga.

Speciellt vätekloriden i experimentet reagerar väldigt gärna. Det gör att den är frätande på många andra ämnen, t.ex. kroppens molekyler och är därför skadlig om den hanteras felaktigt. Särskilt lätt löser sig vätekloriden, liksom ammoniaken, i vatten. I lungorna finns mycket vatten och vävnaderna är tunna, så inandning av gaserna påverkar kroppen kraftigt. Man ska därför alltid lukta försiktigt på ämnen som koncentrerad saltsyra eller ammonik. Det gör man genom att försiktigt vifta till sig luften. Stoppa inte näsan i flasköppningen!

Kemister av i dag, smakar inte på de substanser de arbetar med, men för 150 till 200 år sen var det rutin att göra så. Det är så vi vet att syror smakar surt och baser smakar bittert. Den sura smak som finns i citron, vinäger och många andra rätter beror på att de innehåller syror. Både starka syror och baser förstör levande vävnad. Externt, orsakar den sveda och irritation på huden. Internt är den ännu mera skadande och kan orsaka omfattande skada på matsmältningssystemet.

Salmiaken (ammoniumklorid) bildas i en exoterm kemisk reaktion

Surt och basiskt "förstör" varandra. Reaktionen mellan syra och bas kallas för neutralisation. Neutralisationer är ofta exoterma. I experimentet reagerar vätekloridgas (syra) med med ammoniakgas (bas). Temperaturen stiger, vilket visar att energi frigörs. Reaktionen kan skrivas.

HCl(g) + NH3(g) → NH4Cl(s) + energi

När energin står till höger om reaktionspilen är reaktionen exoterm.

Salmiaken som bildas är i fast form vid rumstemperaturer. Därför bildas en rök av salmiakpartiklar. Partiklarna sjunker sedimenterar sakta och faller ut som en vit beläggninge på föremål i närheten. Ibland ser man att fönstren på kemikalieskåp är alldeles vita. Det brukar bero på att någon av misstag förvarat ammoniak och saltsyra i samma skåp. Det blir alltid lite ångor från flaskorna som reagerar och bildar salmiak.

Salmiaken löser sig i vatten i en endoterm reaktion

När salmiak löser sig i vatten bildas inget nytt ämne, men det krävs energi att skilja jonerna åt. Visserligen avges energi när jonerna binder till sig vatten i lösningen, men den energin är inte lika stor. De krävs därför en nettoenergi för att lösa salmiaken. Reaktionen är därför endoterm.

NH4Cl(s) + energi → NH4+(aq) + Cl(aq)

Energi står på vänster sida om pilen. Reaktionen är då endoterm. Tittar man på den enskilda reaktionsstegen så sker följande:

  1. Jonbindningarna bryts - detta kräver energi
  2. Jonerna binder vatten - energi avges
Ammonium- och kloridjonerna binder vatten när de går i lösning.
Bild: © Svante Åberg

Salmiak är ett salt

Salmiak är ett salt som i experimentet bildats enligt reaktionen syra + bas salt. Jonföreningar kallas ofta salter. De har vissa gemensamma egenskaper. Det är uppbyggda på ett likartat sätt: byggstenarna är joner som binder till varandra med starka elektrostatiska krafter. Synonymt med salt är jonföreningar, dvs. alla salter är jonföreningar och tvärtom.

Salmiak som är ett salt, kan delas upp och lösa sig mycket bra i polära lösningsmedel som vatten. Det som händer är att de polära vattenmolekylerna lägger sig i kransar runt de laddande atomerna, detta leder till att salt löses i vatten.

Smält salmiak leder elektrisk ström. Det gör inte fast salmiak. Förklaringen är att jonerna i det fasta ämnet hålls kvar på sina platser av de starka bindningskrafterna. Det är då så starka bindningskrafter, att det inte kan röra sig i det elektriska fältet. Däremot är jonerna rörliga i smältan. Där kan jonerna vandra fritt och transportera elektricitet. Orsaken är att kristallstrukturen bryts ned när jonkristallen smälter. En vattenlösning av salmiak leder elektrisk ström. Kristallerna i salmiaken löses och jonerna blir fria från varandra.

Ammoniumklorid har - liksom de flesta jonföreningar - relativ hög smältpunkt, ca 340 °C, den höga smältpunkten visar att man måste tillföra mycket energi för att bryta bindningarna mellan jonerna i en kristall. Jonbindningar är alltså en stark bindning.

De starka bindningarna visar också att det är en stabil bindning. Det måste till så mycket energi för att bryta bindningen.

Historik om salmiak

Namnet salmiak kommer av "sal ammoniak", som betyder "ammoniaksalt". Salmiak förekommer som vita kristaller som också finns i mer eller mindre obearbetade stavar eller klumpar. Salmiak kan påträffas sublimerat i håligheter i marken runt vulkaner. Industriellt kan saltet framställas direkt ur ammoniak och saltsyra, men det är oftast inte ekonomiskt, därför utvinns salmiak som biprodukter vid olika processer.

Huvudsaklig världsproducent är Japan som 1993 framställde 220 000 ton, merparten som biprodukter. Det mesta används som konstgödning av ris för hemmabruk och export.

Torrbatteriet gjorde energilagringen praktiskt användbar.
Numera finns dock batterier med bättre egenskaper,
t.ex. de alkaliska batterierna.
Bild: © Svante Åberg

Renare salmiak framställs för mera speciella användningar. Under 1860-talet utvecklade fransmannen Georges Leclanché det som blev ursprunget till vad som än i dag är en av de vanligaste battericellerna, nämligen brunstensbatteriet. Leclanchés cell var en s. k. våt cell där anoden, (-)-polen, var utförd som en amalgerad zinkstav. Katoden, (+)- polen, utgjordes av krossad mangandioxid blandat med en tillsats av kolpulver. Blandningen packades hårt i en bägare och en kolstav placerades i blandningen för att fungera som strömsamlare.

Bägaren samt anoden sänktes ned i ett bad av salmiak vilket genomdränkte den porösa bägaren och fungerade som elektrolyt. En förbättrad variant av den våta Leclanchécellen är torrbatteriet. Se bild nedan.

Denna uppfinning har utvecklats till torrcellsbatterier. Då man alltså använder salmiak för att det är en jonförening. Salmiak reagerar med metalloxider och bildar flyktiga klorider, något som utnyttjas i bet- och flussmedel för att få rena och torra ytor innan färgning eller beläggning. Då salmiak används i betmedel innan förtenning innehåller preparatet ofta lite tennklorid. Saltet använd också i etslösning vid tillverkning av tryckta kretskort, som brandbekämpningskemikalie, sprängmedel för mineralbrytning och som härdare i formaldehydbaserat lim.

Salmiak smakar salt och är lite kylande, det är den flyktiga kloridjonen som gör den kylande och den sura ammoniumjonen som ger dess smak. Detta gör att det används till livsmedel, framförallt är det omtyckt i godis. Salt av denna renhet används också i läkemedel eftersom ämnet anses slemlösande.

Fördjupning

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.

Vätebindning

Vätebindningar finns i vatten och i många organiska ämnen i kroppen. Vätebindningar ger ämnena polära egenskaper, såsom löslighet i vatten. Vätebindningarna är också viktiga för strukturen hos till exempel DNA.

I strukturformler brukar vätebindningen markeras med streckad linje.

Bindningskrafter inom och mellan molekyler

Kemiska ämnen hålls samman av starka bindningar såsom kovalenta bindningar i molekylföreningar och jonbindningar i salter. Bindningar inom föreningen är intramolekylära krafter.

Men de finns också bindningar mellan föreningarna, intermolekylära krafter.

intramolekylär = inom molekylen
intermolekylär = mellan molekyler

Intermolekylära krafter är svagare än de intramolekylära.

Vätebindning kan ske när vätet sitter på N, O eller F

Den så kallade vätebindningen hör dock till de starkare intermolekylära krafterna. Den kan beskrivas som en extra stark dipol-dipolbindning.

Vätebindning kan uppstå mellan ett väte som sitter på atomslaget N, O eller F i en molekyl och atomslaget N, O eller F i en annan molekyl.

Här är några exempel på kemiska föreningar som kan bilda vätebindningar:

Vatten: H2O kan vätebinda. Däremot kan inte analogen vätesulfid H2S vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ.
Vätefluorid: HF kan vätebinda. Däremot kan inte analogen vätebromid HBr vätebinda eftersom brom inte är tillräckligt elektronegativ.
Ammoniak: NH3 kan vätebinda.
Karboxylsyror: exempelvis ättiksyra, CH3COOH kan vätebinda.
Alkoholer: exempelvis etanol, CH3CH2OH kan vätebinda. Däremot kan inte analogen etantiol CH3CH2SH vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ. Isomeren CH3-O-CH3 till etanol har samma summaformel, men föreningen är en eter och sådana har inget väte som sitter direkt på syreatomen. Därför kan etrar inte vätebinda.
Aminer: exempelvis ettylamin, CH3CH2NH2 kan vätebinda. Undantag är tertiära aminer som trimetylamin N(CH3)3 eftersom det inte sitter någon väteatom direkt på kvävet. Inte heller kan analogen etanitiol CH3CH2SH inte vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ.

Vätebindning kan även ske till kloridjoner

Kloratomen är inte tillräckligt elektronegativ för att skapa ett elektronmoln med så hög täthet att vätebindningar kan skapas. En enskild kloratom kan däremot få tillräckligt tätt elektronmoln genom att ta upp en extra elektron så att en kloridjon skapas.

En lite udda variant av vätebindningar kan därför fås mellan den negativt laddade kloridjonen och vattenmolekyler i lösningen, exempelvis en koksaltlösning.

Bilden till höger är en ögonblicksbild av en simulering. Vätebindningarna är markerade med röda streck. Väteatomer är vita, syreatomer röda och kloridjonen är rosa.

Man kan se vätebindningar mellan vätet i vatten och kloridjonen, liksom vätebindning mellan vätet i en vattenmolekyl och syret i en annan vattenmolekyl.

N, O och F är starkt elektronegativa atomslag


Elektronmolnet kring en vattenmolekyl är starkt förskjutet från väteatomerna mot syreatomen.
"Water charge distribution" av Martin Chaplin

Atomslagen N, O och F är de mest elektronegativa atomslagen i hela periodiska systemet. Elektronegativa atomer har förmågan att dra till sig elektroner.

I vatten sitter vätet på en syreatom. Vätet har en kärna med laddningen +1 och en elektron med laddningen –1. En fri väteatom har därför nettoladdningen 0. Syret drar till sig elektronmolnet mycket effektivt, vilket leder till att det blir ett positivt laddningsöverskott δ+ på väteatomen. Vatten har två väteatomer, som sitter på syret. Även den andra väteatomen får ett positivt laddningsöverskott δ+. På motsvarande sätt får syreatomen ett dubbelt negativt laddningsöverskott 2δ–.

Det positiva vätet i en vattenmolekyl kan binda till det negativa syret i en annan vattenmolekyl med så kallad vätebindning. Bindningen är ovanligt stark för att vara en intermolekylär bindning. Det beror på att vätet är nästan ”naket” när elektronmolnet dragit sig undan så effektivt från vätet. Därmed kan vätet komma mycket nära syreatomen i den angränsande vattenmolekylen, vilket gör att den elektrostatiska attraktionen blir extra stark.

Vätebindningarna ger vattnet dess egenskaper

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

Vatten är det viktigaste lösningsmedlet, inte bara inom kemin, men också för livet på jorden. Vattnet har nämligen speciella egenskaper som beror på vätebindningarna mellan molekylerna.

På grund av polariteten hos vätebindningarna är vatten ett utmärkt lösningsmedel för polära ämnen såsom salter och organiska ämnen med polära grupper. Den vinklade formen hos vattenmolekylen ger en hexagonal struktur hos iskristallerna när vattnet fryser, vilket återspeglas i snöflingornas sexkantiga form. Iskristallerna hålls samman av vätebindningar. Vätebindningarnas styrka gör också att vattnets kokpunkt är mycket högre än den annars skulle vara.


Vätebindningarna ger struktur åt DNA

Vårt genetiska arv är kodat i DNA. Där finns basparen AT (Adenin och Tymin) och GC (Guanin och Cytosin). Det är viktigt att A verkligen parar med T och att G verkligen parar med C, annars skulle det bli oordning i den genetiska koden.


Basparning av Adenin och Tymin.

Basparning av Guanin och Cytosin.
"Base pair Adenine Tyhmine" av Yikrazuul" Public Domain Mark "Base pair Guanine Cytosine" av Yikrazuul" Public Domain Mark

Parningen blir rätt tack vare att A och T parar med två vätebindningar, men G och C parar med tre vätebindningar.

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.

Litteratur

  1. Lars Dahlstrand, Allmän kemi, 1992, D&D förlag, Rättvik.
  2. Stig Andersson, Artur Sonesson, Aina Tullberg, Gymnasiekemi, 1993, Liber förlag, Stockholm.
  3. Gordon Aylward, Tristan Findlay, SI Chemical Data, 2002, John Wiley & Sons, Australia, Milton.
  4. Bettelheim, Brown, March, Introduction to General, Organic and Biochemistry, 6th ed., 2001, Thomson Learning, Inc., USA.
  5. Betteriets historia, Batteriföreningen
    http://www.batteriforeningen.a.se/Batteriets_historia.htm (2004-06-20)
  6. Eveready Carbon Zinc (Zn/MnO2) Batteries, Energizer
    http://data.energizer.com/batteryinfo/application_manuals/carbon_zinc.htm (2004-04-02)
  7. Ammonium chloride, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Ammonium_Chloride (2004-04-02)
  8. Ammoniak, Shenet
    http://www.shenet.se/ravaror/ammoniak.html (2004-06-20)
  9. Ammoniumklorid, Kemikalieinspektionen
    http://www.kemi.se/kemamne/ammonium.htm (2004-06-20)
  10. Jonförening, Susning
    http://www.susning.nu/jonförening (2004-06-20)

Fler experiment


jämvikt
Anden i flaskan
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Avdunstning och temperatur
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Flaskor mun mot mun
Framställ väldoftande luktämnen
Fryspunktsnedsättning
Färgämnen i M&M
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gummi och lösningsmedel
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
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

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?
Håller bubblan?
Karbidlampan
Kemi i en brustablett
Kemisk vattenrening
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Modellmassa av mjölk
Myggmedel - hur funkar det?
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Optiska Vitmedel
Osmos i ett ägg
Osynlig gas
Pektin och marmeladkokning
Pelargonens färg
Permanenta håret
Pulversläckare
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Skär sig majonnäsen?
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Superabsorbenter i blöjor
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Såpbubblor
Tillverka din egen deodorant
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka din egen tvål, del 1: Själva tvålen
Tillverka din egen tvål, del 2: Parfymera och färga tvålen
Tillverka ditt eget läppstift
Tillverka Falu rödfärg enligt gammalt recept
Tillverka papperslim
Tillverka rengöringskräm
Tvätta i hårt vatten
Utfällning av aluminium
Utvinna järn ur järnberikade flingor
Vad händer då något brinner?
Vad händer när degen jäser?
Vad innehåller mjölk?
Vad är det i saltet som smakar salt?
Vad är skillnaden mellan maskin- och handdiskmedel?
Varför färgas textiler olika?
Varför kan man steka i smör och olja men inte i lättprodukter?
Varför mörknar en banans skal?
Varför rostar järn och hur kan man förhindra det?
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Ägget i flaskan
Ärg på en kopparslant
Äta frusen potatis