Bjud din jäst på mat

Tillhör kategori: biokemi, livets kemi, livsmedel, urval experiment under revidering

Författare: Rebecca Möller

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

Tid för förberedelse: Försumbart

Tid för genomförande: 30 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Att koldioxid bildas vid förbränning kan man visa, genom att lösa jäst i vatten och "mata" den med druvsocker. Vattnet blir surt när koldioxiden bildar kolsyra.

Riktlinjer

Experimentet är lämpligt som elevförsök, men kan även användas som demonstration. Detta är ett utomordentligt bra tillfälle att låta eleverna själva pröva sig fram vad gäller val av materiel och utförande, eftersom experimentet inte kräver någon särskild noggrannhet och lätt justeras i efterhand. Låt gärna eleverna själva komma på hur man kan göra för att kolla att det inte är sockret som gör vattnet surt. Här är det lämpligt att diskutera försöksupplägg.

Säkerhet

Inga farliga kemikalier används.

pH-indikatorpapper kan slängas i papperskorgen och provvätskan kan spolas ut i avloppet.

Materiel

Förarbete

Inget förarbete.

Utförande

  1. Häll fingervarmt vatten i två glas eller bägare.
  2. Lös en bit jäst i vattnet i båda glasen.
  3. Tillsätt glukos i det ena glaset.
  4. Blanda om och mät pH i båda glasen.
  5. Gör en "blank" genom att lösa glukos i ett glas fingervarmt vatten, utan jäst.
  6. Mät pH i blanken.
  7. Vänta ungefär 20 min och mät därefter pH igen. Eventuellt kan pH mätas några gånger under väntetiden också.
Försöksuppställningen
Bild: © Svante Åberg

Förklaring

Jästen är en svamp som lever på kolhydrater, t.ex. sockerarten glukos. När sockret förbrukas bildas koldioxid och etanol. Koldioxiden löser sig i vattnet och bildar kolsyra. Därför blir det surt och pH sjunker.

I glaset där jästen saknar glukos att "äta", så bildas ingen koldioxid. I "blanken" finns näring, men inga celler som kan förbruka den. Där biladas inte heller kodioxid.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Detta sker i experimentet

Jäst är en organism som utnyttjar glukos i sin metabolism (ämnesomsättning) för att tillgodogöra sig livsnödvändig energi och kol. Detta sker utan att syre används och kallas då fermentering. Jästens fermentering är en kemisk reaktion (närmare bestämt en oxidation) där glukosmolekyler omvandlas (bryts ned) till koldioxidmolekyler och etanolmolekyler. Därför kallas reaktionen alkoholfermentering (jäsning). Energi frigörs samtidigt och blir tillgänglig i jästcellen, vilket är nödvändigt för att jästen ska kunna leva. Organismer som bryter ned glukos med hjälp av syre får ut mer energi av varje glukosmolekyl som används och då kallas den kemiska reaktionen istället cellandning. Även då bildas koldioxid, men ingen etanol utan istället vatten.

Eftersom jästen ligger i vatten kommer koldioxiden som jästen bildar att lösa sig i vattnet och dessutom reagera med vattnet. När koldioxid reagerar med vatten bildas kolsyra, H2CO3. Kolsyramolekylerna har förmågan att avge protoner, H+. pH är ett mått på mängden fria protoner i lösningen. Ju fler fria protoner det finns i lösningen desto lägre pH. Därför sjunker pH i lösningen när kolsyra bildas.

Jäst och fermentering

Bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae, är en encellig svampart som tillhör subphylum Saccharomycotina, en grupp sporsäcksvampar som inte bildar fruktkroppar, vilket är unikt bland de äkta svamparna (riket Fungi) [4]. Bagerijäst används vanligen till bakning samt bryggning av öltypen ale [3]. För att brygga öl av typen lager eller vin använder man istället andra Saccharomyces-arter och vid viss öltillverkning även bakteriekulturer [4][3]. Bagerijästens enzymer fungerar bäst i en temperatur av 38 ° C [3]. Liksom alla andra svampar är bagerijästen en kemoorgano-heterotrof organism, vilket innebär att den bryter ned organiska föreningar både för att utvinna energi och kol i sin metabolism [1][4]. I detta experiment är glukos den organiska förening som bryts ned. Bryggerijäst kan även bryta ned flera andra sockerarter, men klarar till exempel inte att bryta ned laktos [2]. Till skillnad från andra eukaryota organismer kan jästsvampar under syrefria förhållanden utvinna energi från glukos genom jäsning, vilket kallas alkoholfermentering eftersom alkohol bildas, formel 1 [1].

Formel 1, alkoholfermentering: C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2

Energi kan utvinnas från glukos under syrefria förhållanden även hos andra eukaryota organismer, men då är det alltså inte frågan om jäsning, utan istället mjölksyrafermentering där mjölksyra bildas [1], formel 2. Ett exempel på mjölksyrafermentation inträffar i musklerna hos en människa som tränar så hårt att blodet inte hinner syresätta muskelcellerna.

Formel 2, mjölksyrafermentering: C6H12O6 → 2 C3H6O3

Då syre finns tillgängligt utvinner kemoorgano-heterotrofa organismer energi genom en process som kallas cellandning, i vilken glukos bryts ned till koldioxid och vatten, formel 3 [1]. Syret fungerar som elektronacceptor, det vill säga syret reduceras. Vid fermentering fungerar istället den organiska föreningen som elektronacceptor och reduceras.

Formel 3, cellandning: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

Vid cellandning bryts den organiska föreningen, här glukos, ned fullständigt, medan fermentering ger en organisk restprodukt, hos jäst etanol. Vid cellandning frigörs också betydligt mer energi än vid fermentering [1].

Glukos

Glukos är synonymt med glykos och druvsocker. Glukosmolekylen är en hexos och en monosackarid, vilket innebär att den är uppbyggd av sex kolatomer som bildar en ringformad struktur, figur 1 [5].

Figur 1: D-glukos
grå = kol, röd = syre, vit = väte

Glukos ingår också som komponent i många disackarider och polysackarider [5]. Nedbrytning av alla slags poly-, di- och monosackarider som sker i organismer medför alltid att glukos bildas i ett mellansteg, eftersom glukosmolekylen är startämne i den reaktionskedja som kallas glykolysen [1]. Genom glykolysen kan organismen tillgodogöra sig energi samtidigt som pyruvatmolekyler bildas [1]. Pyruvatmolekylerna kan sedan brytas ned genom den syrekrävande reaktionskedjan citronsyracykeln eller genom någon typ av fermentation [1]. Glukos bildas i autotrofa organismer, till exempel växter, som har förmågan att själv bygga upp de energirika glykosmolekylerna av koldioxidmolekyler och vattenmolekyler. Växter utnyttjar då energin från solstrålning, en rocess som kallas fotosyntes.

Kolsyrasystemet

Av formel 1 framgår att koldioxid bildas då jäst fermenterar glukos. Koldioxiden löser sig i vattnet. Koldioxidtrycket från luften över vattenytan avgör hur mycket koldioxid som håller sig kvar i lösningen innan den börjar diffundera ut i luften [6]. Den koldioxid som löst sig i vattnet reagerar också med vattnet och bildar kolsyra som då också är löst i vattnet, formel 4. Reaktionen är reversibel, så om koldioxid diffunderar ut i luften förskjuts reaktionen åt vänster [6].

Formel 4: CO2(g) + H2O ⇄ CO2(aq) + H2O ⇄ H2CO3(aq)

Kolsyrans båda protoner frigörs delvis i vattenlösningen enligt formel 5 [6]. Kolsyran är en svag syra, vilket innebär att den har en låg tendens att avge sina protoner till vattnet, vilket avspeglas i höga pKa-värden för respektive jämvikt i formel 5. Sambandet i formel 6 avgör hur stor koncentrationen av fria protoner blir, då man känner pKa för respektive jämvikt [6].

Formel 5: H2CO3(aq) ⇄ H+ + HCO3- ⇄ 2 H+ + CO32-

Formel 6: pH = pK a + log ( [syra] / [bas] ) där pH = -log [H+]

pH är alltså ett mått på hur mycket fria protoner det finns i vattenlösningen. Ju lägre pH, desto surare.

Några fakta om bagerijäst

Bagerijäst odlas kommersiellt genom att man lägger en frystorkad ymp med några milligram jästceller i ett provrör. Jästen väcks till liv genom att man tillsätter näring. Redan efter några timmar har jästen vuxit till så mycket att den behöver mera utrymme och förs då över till en jästank. Under en vecka får jästen föröka sig i allt större jästankar och hinner på den korta tiden växa till 150 ton! Då är det dags att skörda. Man kyler ner jästen för att tillväxten ska stanna upp och sedan urvattnas den så att den blir i kompakt form som går att förpacka.

Jästens livscykel kan beskrivas med tre faser: vilofas, cellandning och jäsning. Tillväxten sker under andningsfasen. Syretillgången är viktig och man luftar därför odlingen vid jästtillverkningen. Den process som sker när jästen används i bakningen är däremot en jäsning som sker under syrefattiga förhållanden.

Eftersom jästen är en levande organism så lever den vidare medan den lagras. Hållbarheten är cirka 1 månad. Den åldras långsammare om den förvaras under kyla. Det beror på att de kemiska reaktionerna i cellerna är långsammare vid låg temperatur. Jästen ska dock inte frysas eftersom cellerna då sprängs. Bästa lagringstemperatur är 0 - 4 °C. Bästa degtemperatur vid bakning är 26 - 28 °C. För maximal koldioxidprioduktion ska temperaturen vara 38 - 40 °C. Den högre temperaturen gör att de kemiska reaktionerna är snabbare, men högre temperatur än så är inte bra eftersom enzymerna som katalyserar reaktionerna i cellen då börjar denatureras.

Fördjupning

Livsmedel

Maten håller igång oss

Livsmedel behövs för att hålla igång vårt biologiska maskineri. Det är via maten som vi får energi att röra oss, tänka, men också att växa och reparera våra celler i kroppen. Kroppens maskineri är oerhört komplicerat, men det klarar att styra flödena av både energi och näring till kroppens olika delar vid rätt tillfälle. Kroppen hanterar också att ta hand om de restprodukter som vi måste göra oss av med.

Processerna i kroppen när maten bryts ned, fördelas, omvandlas och görs av med, är i grund och botten kemiska reaktioner som drivs av energin i maten. Maskinen är vår biologiska kropp, men de enskilda reaktionerna är kemiska. På så sätt kan man säga att vår kropp är en kemisk maskin.

Matens ursprung

Ursprungligen hittade vi vår föda i naturen. I det moderna samhället är de flesta livsmedlen processade på något sätt. Även livsmedel som inte är processade i sig är ofta odlade eller uppfödda med metoder som skiljer sig från det som sker i naturen. Syftet är att öka produktionen och att säkerställa kvalitén.

Att livsmedlen inte är helt naturligt producerade behöver inte vara ett problem. Det är bra att vi kan producera mera med mindre resurser. Det är också bra att vi har koll på kvalitén. Men vissa saker är inte bra. Tillsatser som gör att livsmedlen får längre hållbarhet, ser mer aptitliga ut och smakar bättre är inte alltid nyttiga, även som det kan verka så.

Grunden till all produktion av livsmedel är solens energi och växternas fotosyntes. I nästa steg kan djuren äta växterna och producera kött som vi sedan kan äta, men ursprunget är växterna. Men om inte djuren och människorna fanns, så skulle växterna till slut bli utan koldioxid som de behöver för sin fotosyntes. Djur och människor andas ut koldioxid. Kropparna bryts också ned till koldioxid och mineraler när de förmultnar. Detta tar växterna hand om, ofta med svamparna som mellanled. Det hela är ett kretslopp där både växter, svampar och djur ingår. Allt levande både äter och äts. Det som får kretsloppet att hålla igång är strålningen från solen.

Tycke och smak

Genom evolutionen har vi lärt oss att välja vad som är bra med hjälp av lukten och smaken. Oftast är det som vi gillar också nyttigt. När maten är skämd, brukar den börja lukta illa, vilket gör att vi inte äter det som kan göra oss sjuka.

Men det vi tycker om är inte nödvändigtvis bra för oss. Sötma är en signal att maten är bra, vilket stämde väl när människan levde nära naturen och behövde den energi man kunde finna. Men nu finns socker i överflöd. Det blir för mycket av det goda, så att vi blir feta och får sjukdomar som karies och diabetes.

Smaken för maten är också en kulturell fråga. Den mat vi lär oss tycka om från barnsben tycker vi oftast om resten av livet. Det finns också kulturella aversioner mot vissa typer av mat. I Sverige är vi inte vana att äta insekter, men insekter är förträfflig mat som är både nyttig och miljövänlig.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Glukos

Glukos ger snabb energi

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

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

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

Växterna tillverkar stärkelse

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

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

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

Kemisk uppbyggnad av glukos

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

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

Optisk aktivitet

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

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

mer material på avancerad nivå kommer

Koldioxid

Egenskaper

Koldioxid är en luktlös gas, men vid höga koncentrationer kan man få en sur smak i munnen som beror på att gasen löser sig i saliven och bildar kolsyra. Inandning av koldioxid i onormalt höga halter kan leda till huvudvärk, illamående och kräkningar. Är halten tillräckligt hög kan inandning leda till medvetslöshet och till och med döden.

Koldioxiden är med sin molmassa 44 g/mol tyngre än syrgas (32 g/mol) och kvävgas (28 g/mol). Därför sjunker koldioxiden ner mot marken om den släpps ut. Med tiden diffunderar koldioxiden och blandar sig med luften till dess halten är lika överallt, men det tar ett tag.

Koldioxid underhåller inte förbränning. Den kväver därför eld. Så kallade kolsyresläckare innehåller koldioxid under högt tryck. De fungerar genom att koldioxiden tränger undan luftens syre så att elden slocknar.

Kolsyresnö och torris är koldioxidid fast form

Kolsyresnö och torris är en benämning på frusen koldioxid. Torris är kolsyresnö som har komprimerats så att den blivit kompakt.

En bit torris ångar och ryker i rumstemperatur när koldioxiden sublimerar, dvs. övergår direkt från fast till gasform. Kylan gör att luftens fuktighet kondenserar så att synlig dimma bildas.

Man kan lägga ner bitar av torris i bål (som man dricker) för att få en festligt effekt. Torrisen kolsyresätter samtidigt drycken. Var bara försiktig att så att du inte sätter en bit torris i halsen. Den är nämligen mycket kall, - 78,5 °C. Tag aldrig i torris med händerna!

Ett recept för att tillverka dimma är att släppa ned torris i varmt vatten. Vattnet får torrisen att sublimera till gas snabbare, men bildas dimma av vattendroppar.

Kolsyresnö bildas också när man använder en kolsyresläckare. Brandsläckaren innehåller komprimerad koldioxid under högt tryck. När man släpper ut gasen sjunker temperaturen hastigt och så mycket att koldioxiden fryser till kolsyresnö vid –78,5 °C. Förutom att koldioxiden kväver elden så bidrar kyleffekten till att elden minskar i intensitet.

Tillverkning och användning

Koldioxid fås bland annat som biprodukt vid förbränning av kolhaltiga bränslen och vid upphettning av naturliga karbonat, särskilt vid "kalkbränning" (upphettning av kalciumkarbonat, kalksten). Kalkbränningen ger bränd kalk, (kalciumoxid, CaO):

CaCO3(aq) CaO(s) + CO2(g)
kalciumkarbonat kalciumoxid koldioxid

Den bildade koldioxiden renas och kondenseras, och kan också överföras till kolsyresnö som i sin tur kan pressas till torris.

Gasformig koldioxid används vid framställning av kolsyrade drycker och eldsläckningsanläggningar, medan torris främst används till kylning, till exempel när glass ska transporteras.

En mycket speciell tillämpning är koldioxidlasrar där koldioxiden fungerar som medium för ljusstrålen när den fås att svänga i fas. Koldioxidlasern producerar ljus i det infraröda området vid våglängderna 9,4 och 10,6 mikrometer (μm)

Ett oorganiskt ämne med stor biologisk betydelse

Koldioxiden ingår i kolets kretslopp i naturen. Alla organismer som förbrukar syre i cellandningen producerar koldioxid. Människan andas, liksom djuren, in luftens syre som transporteras ut i kroppen via blodet till cellerna där förbränningen av maten sker. Maten bryts ned till bland annat koldioxid och vatten. Blodet transporterar koldioxiden tillbaka till lungorna och vi andas sedan ut den.

C-föreningar + O2(g) H2O + CO2(g) + energi
kolföreningar syrgas vatten koldioxid energi

I växterna sker den motsatta processen, att bladen tar upp koldioxid som med hjälp av energin från solljuset reagerar med vatten. Då bildas bland annat sockerarter. Restprodukt vid fotosyntesen är syrgas som avges via bladens klyvöppningar.

H2O + CO2(g) + energi C-föreningar + O2(g)
vatten koldioxid energi kolföreningar syrgas

På detta sätt vandrar kolet i ett kretslopp mellan växter och djur. Kolet är i form av koldioxid när det finns i luften. Men i organismerna binds kolet upp i organiska föreningar såsom stärkelse, socker, fetter och proteiner. Koldioxid betecknas som ett oorganiskt ämne, dvs. ett ämne som inte är biologiskt. Men kolet från koldioxiden som binds i organiska föreningar som har en biologisk funktion.

Ökande koldioxidhalter i atmosfären försurar haven

Genom industrialiseringen, och då speciellt förbränningen av fossila bränslen, har sura gaser bidragit till försurning. Speciellt koldioxiden har blivit ett problem. Den naturliga mängden kol i kolets kretslopp har fyllts på med kol från de fossila bränslena som har legat i tryggt förvar i jorden. Koldioxidhalten i atmosfären har ökat dramatiskt.

Försurningen sker när koldioxid som löser sig i vattnet bildar kolsyra. Kolsyra får kalken i korallrev och i djur med kalkskelett att lösas upp. Effekterna är så stora att hela ekosystem är på väg att slås ut.

Ökande koldioxidhalter i atmosfären orsakar global uppvärmning

Eftersom koldioxid är en så kallad växthusgas, så orsakar ökningen av koldioxid i atmosfären en förstärkt växthuseffekt. Beräkningar växthuseffekten måste ta hänsyn till många komplicerade samband. Därför har forskarna av ren försiktighet undvikt att komma med kategoriska påstående om hur kraftig effekten är. Men när nu växthuseffekten har slagit till på allvar kan vi se att den är långt kraftigare än förväntat. Det finns inte heller någon tvekan om att den globala uppvärmningen till allra största delen är orsakad av människans verksamhet som ökat på koldioxidhalten i atmosfären.

Koldioxid i form av vätekarbonat stabiliserar pH

Medan koldioxiden transporteras av blodet reagerar det med vattnet som finns i blodet och bildar kolsyra, vätekarbonat och karbonat. Nästan all koldioxid är i form av vätekarbonat i blodet. Det beror på att blodets pH ligger på cirka 7,4. Vätekarbonatet hjälper till att stabilisera blodets pH så att det inte ska variera alltför mycket. Detta är viktigt för att vi ska må bra. Kroppens reglering och vätekarbonatets pH-buffrande verkan gör att blodet pH håller sig mellan 7,35 och 7,45.

Koldioxiden har också en motsvarande bufferteffekt på pH i naturen. Ett problem är dock att i första reaktionsstegen när koldioxiden reagerar med vatten, så bildas kolsyra. Kolsyran sänker pH. Det är först när en del av kolsyran förbrukas av bas, till exempel i reaktionen med kalk, som det pH-buffrande vätekarbonatet bildas. Ökande koldioxidhalter i luften bidrar därför till försurning av hav och vattendrag.

Koldioxid deponerad som mineraler

På planeterna Venus och Mars är koldioxid den vanligaste gasen. I torr luft på planeten Jorden är koldioxid den fjärde vanligaste gasen näst efter kväve, syre och argon. När de stora oceanerna bildades flyttades en stor del av koldioxiden från den tidiga atmosfären till vattnet där den löstes upp. Nu återfinns stora delar av den tidigare koldioxiden som karbonater i berggrunden.

Av allt kol som finns på jorden är bara en mycket liten del som fri koldioxidgas i atmosfären. Koldioxiden i luften står i jämvikt med koldioxid i vattenlösning. Koldioxiden i vattnet reagerar till kolsyra som reagerar vidare till vätekarbonat (HCO3) och karbonat (CO32–). Karbonatjonerna bildar svårlösliga salter tillsammans med till exempel kalciumjoner (Ca2+) och faller ut som fasta mineraler. Det mesta kolet är bundet i berggrunden som karbonater, men också som en försvinnande liten andel fossil stenkol, brunkol, olja och naturgas. Dessutom har vi kol som är bundet som biomassa i ekosystemen, inklusive förmultnande material i marken.

Fördelningen är följande:

PlaceringVikt kolAndel
atmosfären7,5·1011 ton0.001%
ekosystem2,1·1012 ton0.002%
haven3,8·1013 ton0.038%
berggrunden1,0·1017 ton99.959%

Koldioxid som superkritisk vätska

Vid tillräckligt högt tryck och temperatur övergår gaser till att bli superkritiska vätskor. Tillståndet är något som kan betecknas både som gas och vätska samtidigt. Molekylerna är rörliga nästan som i en gas, dvs diffunderar snabbt. Samtidigt är förmågan att lösa ämnen god, som i en vätska. Dessa egenskaper är till god nytta vid superkritisk extraktion. För koldioxid inträffar det superkritiska tillståndet vid 73,76 bars tryck och en temperatur av endast 31,04 °C. Det gör koldioxiden mycket lämpad för användning som superkritisk vätska.

Koldioxid-karbonatsystemet

Koldioxid tillsammans med vatten ingår i en serie former av kolsyra och karbonater som står i jämvikt med varandra. Förutom koldioxid och vatten som bildar kolsyra finns också syra-basjämvikterna mellan kolsyran och dess salter. Vi har följande:

CO2(g) CO2(aq) löslighetsjämvikt
CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq) jämvikt för bildning av kolsyra
H2CO3(aq) HCO3 + H+ syra-basjämvikt
HCO3 CO32– + H+ syra-basjämvikt

Den första jämvikten är en löslighetsjämvikt där koldioxidgas löser sig i vatten. Den andra jämvikten är en reaktion mellan koldioxid och vatten som bildar kolsyra. Den tredje och fjärde jämvikten är syra-basjämvikter där vätejoner ingår.

Alla dessa jämvikter är kopplade. Det innebär att en förändring i halten koldioxid i atmosfären fortplantar sig genom hela systemet så att till exempel halterna vätekarbonat och karbonat också påverkas.

Men eftersom vätejonerna också ingår i jämvikterna, så påverkas koldioxid-karbonatsystemet av sura och basiska ämnen i lösningen. pH är därför en viktig faktor.

Beräkningsexempel på koldioxid i jämvikt med vatten

Vi ska göra beräkningar på jämvikten mellan koldioxid i luften och kolsyra och karbonater i vatten. Värdena gäller för sötvatten vid rumstemperatur. Det är viktigt att känna till att jämviktskonstanterna är starkt beroende av temperatur och salthalt. Därför blir värdena annorlunda om man ska räkna på havsvatten eller kallare vatten.

Jämvikten mellan koldioxid i luften och i vattnet

Henrys lag tillämpad på koldioxid lyder KH = PCO2/[CO2(aq)] = 29,41 atm/(mol dm–3)

Koldioxidhalten 0,0387 % i luften vid 1 atmosfär ger PCO2 = 3,87·10-4 atm

Koncentrationen löst koldioxid i vattnet är då [CO2(aq)] = PCO2/K = 3,87·10-4 atm / (29,41 atm/(mol dm–3)) = 1,316·10-5 mol dm–3 ≈ 1,3·10-5 mol dm–3

Jämvikten mellan löst koldioxid i vattnet och kolsyra

Jämviktskonstanten för bildningen av kolsyra är K = [H2CO3(aq)]/[CO2(aq)] = 1,3·10-3

Halten kolsyra blir då [H2CO3(aq)] = [CO2(aq)] · 1,3·10-3 = 1,316·10-5 mol dm–3 · 1,3·10-3 = 1,711·10-8 mol dm–3 ≈ 1,7·10-8 mol dm–3

Första protolyssteget av kolsyran

Jämviktskonstanten för bildningen av vätekarbonat ur kolsyran är KA1 = [H+][HCO3]/[H2CO3(aq)] = 2,00·10-4 mol dm–3

Halten vätekarbonat blir då [HCO3] = 2,00·10-4 mol dm–3 · [H2CO3(aq)] / [H+]) = 2,00·10-4 mol dm–3 · 1,711·10-8 mol dm–3 / [H+] = 3,421·10-12 (mol dm–3)2 / [H+]

Antag att pH är 8,14, vilket innebär [H+] = 10-8.14 mol dm–3

Vi får [HCO3] = 3,421·10-12 mol dm–3 / [H+] = 3,421·10-12 (mol dm–3)2 / (10-8.14 mol dm–3) = 4,723·10-4 mol dm–3 ≈ 4,7·10-4 mol dm–3

Andra protolyssteget av kolsyran

Jämviktskonstanten för bildningen av karbonat ur vätekarbonatet är KA2 = [H+][CO32–]/[HCO3] = 4.69·10-11 mol dm–3

Halten karbonat blir då [CO32–] = 4,69·10-11 mol dm–3 · [HCO3] / [H+] = 4,69·10-11 mol dm–3 · 4,723·10-8 mol dm–3 / (10-8.14 mol dm–3) = 3,057·10-6 mol dm–3 ≈ 3,1·10-6 mol dm–3

Försurning av haven

Halterna i atmosfären

Koldioxidhalten i atmosfären är mycket låg, bara cirka 0,04 %, men har ändå stor betydelse i miljön. Dels är koldioxiden en växthusgas som höjer jordens temperatur, dels löser sig koldioxid lätt i vattnet och bildar kolsyra.

Halterna koldioxid i luften har ökat sedan industrialismen slog igenom och fortsätter att öka. Anledningen är att vi använder fossila bränslen som tidigare var gömda i marken och inte kom ut i atmosfären, men som nu adderas till den koldioxid som naturligt förekommer som en del av kolets kretslopp mellan växter och djur.

Löslighet och pH i vatten

Lösligheten för koldioxid i vatten är hög därför att den kolsyra som bildas när den reagerar med vattnet sedan reagerar vidare och bildar vätekarbonat. Jämviktsprocesserna gör att det då frigörs plats för att ytterligare koldioxid ska lösa sig och bilda kolsyra. Eftersom kolsyran är en syra sänks pH i vattnet, det blir surare.

Organismer med kalkskelett påverkas

I havet lever många organismer med kalkskelett. Kalken är kemiskt sett kalciumkarbonat, ett basiskt ämne. Karbonatet i skelettet står i jämvikt med löst karbonat i vattnet. Jämvikten innebär att kalken i skelettet både avger och tar emot karbonatjoner från vattnet. Men när vattnet är surt förbrukas karbonat och bildar vätekarbonat, som är en något surare form av karbonat. Detta minskar tendensen för karbonat att bindas till kalkskelettet. Resultatet blir att organismens skelett har svårt att växa till och djuret lider, överlever kanske inte.

Exempel på djur med kalkskelett är musslor, krabbor, koraller, med flera. Speciellt korallreven är illa ute. De utsätts dels för surare vatten, dels för förhöjda temperaturer som de inte tål. Dessutom är korallreven mycket långlivade kolonier som byggs upp under tusentals år och som inte klarar plötsliga förändringar i miljön.

Korallreven är mycket viktiga ekologiska system som ger skydd och underlag för otaliga arter av djur och växter. Den biologiska produktionen på reven är mycket stor. Om reven dör, så försvinner till exempel en stor del av fisken i haven.

Kolets kretslopp i havet och atmosfären

Det uppskattas att cirka 30-40 % av människans utsläpp av koldioxid absorberas av haven och andra vattendrag. Under perioden mellan år 1751 och 1996 beräknar man att ytvattnet i haven har minskat sitt pH från cirka 8,25 till 8,14. Det motsvarar en ökning av vätejonhalten [H+] med 35 %.

Det finns ett ständigt utbyte av koldioxid i sina olika former mellan atmosfären och havet, mellan vatten på olika djup, och mellan sedimenterat och löst kol. Man brukar talar om "koldioxidens biologiska och fysikaliska pumpar".


CO2-cykeln i havet och atmosfären.
CC BY-SA 2.5

Växthuseffekten

Växthuseffekten orsakas av en grupp gaser av vilka de viktigaste är vattenånga, koldioxid, metan, dikväveoxid, ozon och freoner.

Koldioxiden - en växthusgas vi behöver ha koll på

Koldioxid är genomsläppligt för solens synliga strålning, men inte för värmestrålning. Det gör att ljuset passerar genom atmosfären till jordens yta. Samtidigt som ytan värms upp så uppstår infraröd värmestrålning som inte tar sig tillbaka till rymden därför att koldioxidmolekylerna absorberar den. Denna infångade energi värmer upp atmosfären i en process som kallas för växthuseffekten.

Växthuseffekten
Atmosfärens koldioxid fungerar på samma sätt som glaset i ett växthus.
Bild: © Svante Åberg

Koldioxiden är den viktigaste växthusgasen i vår atmosfär. Koldioxiden kan liknas vid glaset i ett växthus. De energirika, kortvågiga solljuset (gult i figuren) passerar glaset/koldioxiden och omvandlas värme när det absorberas i växtligheten och marken. Värmen återutsänds som långvågig värmestrålning (orange i figuren) men denna strålning förmår inte tränga genom glas/koldioxid och hålls därför kvar.

Andra växthusgaser

Syret och kvävet som det finns mycket av i atmosfären är praktiskt taget genomskinliga för den långvågiga värmestrålningen. Därför bidrar syret och kvävet inte nämnvärt till växthuseffekten.

Men det finns andra växthusgaser, exempelvis vatten. Mängden vattenånga i atmosfären varierar mycket. Det är också ett komplicerat samspel mellan vattenånga, molnbildning och temperatur. Molnen reflekterar det synliga, infallande ljuset från solen och minskar på så vis uppvärmningen av jorden. Men molnen bidrar också till att lägga sig som ett täcke över jorden som håller kvar den infraröda värmestrålningen och bidrar till att öka växthuseffekten. Det hela blir mycket komplicerat att räkna på.

Metan är en mycket effektiv växthusgas, men förekommer å andra sidan i små mängder. Bidrag till metan i atmosfären kommer från förmultnande organiskt material, från utvinning av fossila bränslen och från boskapsskötsel. Speciellt i permafrosten i de nordligaste delarna på jordklotet finns mängder med organiskt material som inte har brutits ned fullständigt. När växthuseffekten gör att tundran börjar tina sätter metanproduktionen igång. Det ökar på växthuseffekten så att det tinar ännu snabbare. Det blir en självförstärkande reaktion som kan göra att vi tappar kontrollen över temperaturökningen. Cirka 40 % av alla metanutsläpp som orsakas av människor är kopplade till utvinningen av fossila bränslen. Även sophantering och avloppsvatten ger utsläpp. Att boskap ökar på mängden metan har att göra med deras matsmältning. Idisslande kor pruttar och rapar en hel del metan.

Växthusgasernas betydelse

Det mesta av växthuseffekten är naturlig och har alltid funnits. Den är bra och nödvändig för livet in den form det har på jorden. Jordens medeltemperatur är +15 °C. Utan växthuseffekten skulle medeltemperaturen vara c:a 30 °C lägre. Att vatten (H2O) kan förekomma i olika former är av grundläggande betydelse för många processer på jorden.

Men när vi talar om växthuseffekten menar vi ofta den ökade växthuseffekt som leder till global uppvärmning. Det är själva förändringen som är problematisk.

Om man rangordnar växthusgaserna så bidrar vatten mest till växthuseffekten, därefter koldioxid. Sedan följer ozon, dikväveoxid och metan.

Koldioxiden avviker på ett extremt sätt från den naturliga växthuseffekten i och med att den har ökat väldigt mycket på grund av människans påverkan. Problemet är att fossila bränslen som i årmiljoner varit gömda i marken nu förbränns och adderas till den naturliga mängden koldioxid i atmosfären.

Man kan tro att någon grad hit eller dit för jordens medeltemperatur inte skulle vara så viktig, men klimateffekterna är dramatiska. Vädersystemet är mycket känsligt och även mindre störningar kan förändra nederbörd, vindar och lokala temperaturer kraftigt.

Några exempel på hur klimatet kan påverkas är

Jorden är en planet med biosfär, dvs. ett tunt skikt på jordens yta där liv existerar. Den biologiska väven av otaliga organismer har genom evolutionen under årmiljarder anpassats till förhållandena på jorden. Om förhållandena ändras alltför snabbt hinner naturen inte anpassa sig och många arter går under. Även mindre förändringar i jordens klimat påverkar livet mycket.

Extrem växthuseffekt på planeten Venus

Uträkningar har gjorts på mängden koldioxid på jorden (inklusive den koldioxid som är bundet i form av karbonater och det som är löst i vatten) och jämförts med mängden koldioxid på Venus. Det har visat sig att mängderna är ungefär lika stora. Skillnaden är att på Venus finns den mesta koldioxiden i atmosfären medan den på jorden är löst i vattnet och bunden i kalksten och växtlighet. Venus atmosfär består till 96,5 % av koldioxid medan jordens atmosfär bara innehåller 0,03 %.

Växthuseffekten på jorden är tydlig, men på Venus är den extrem. Venus yttemperatur är därför mycket hög, ungefär 470 °C. Atmosfärstrycket på Venus är dessutom mycket högt, 95 bar, jämfört med jordens lufttryck på 1 bar.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Litteratur

  1. Carbon Dioxide, Chemical of the Week, Bassam Shakhashiri
    http://www.scifun.org/CHEMWEEK/CarbonDioxide2017.pdf (2017-03-10)
  2. Carbon dioxide in Earth's atmosphere, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide_in_Earth%27s_atmosphere (2017-09-07)
  3. Ocean acidification, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_acidification (2017-09-08)
  4. Carbon Dioxide and Carbonic Acid, Utah State university
    http://ion.chem.usu.edu/~sbialkow/Classes/3650/Carbonate/Carbonic%20Acid.html (2017-09-08)
  5. Dissolved Oxygen and Carbon Dioxide, Prof. Shapley, University of Illinois
    http://butane.chem.uiuc.edu/pshapley/GenChem1/L23/web-L23.pdf (2017-09-08)
  6. R. H. Garrett och C. M. Grisham, Biochemistry, 1995, s. 548, 590-591, Saunders College Publishing, Orlando.
  7. Sugars in Brewing, Northern Brewer
    http://brewery.org/brewery/library/Sugar.html (2005-03-18)
  8. Hembryggning, Svenska HemBryggareFöreningen
    http://www.shbf.se/ (2005-03-18)
  9. J. H. Petersen, Svamperiget, 1998, s. 65, 79 och 196, Gads Forlag, København.
  10. M. K. Campbell, Biochemistry, 2nd edition, 1995, Saunders College Publishing, Orlando.
  11. W. Stumm och J. J. Morgan, Aquatic chemistry, 3rd edition, 1996, John Wiley and Sons Inc., New York.
  12. Jäst som jobbar?, Robert A. Sciafani
    http://www.shbf.se/Tidningen/Online/Jast_som_jobbar.php (2005-06-10)
  13. Jästbolagets hemsida, Jästbolaget AB
    http://www.jastbolaget.se/ettan.htm (2005-06-10)
  14. Digestion of Dietary Carbohydrates, Robert A. Sciafani, IU School of Medicine
    http://web.indstate.edu/thcme/mwking/glycolysis.html (2005-03-18)
  15. Overview of Carbohydrate Metabolism, Virtual Chembook, Elmhurst College
    http://web.indstate.edu/thcme/mwking/glycolysis.html (2005-03-18)

Fler experiment


biokemi, livets kemi
DNA ur kiwi
Doft och stereoisomeri
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Framställ låglaktosmjölk
Fruktköttet får solbränna
Fruktmörade proteiner
Kallrörd vaniljkräm och saliv
Kan man tapetsera med abborrar?
Klorofyllets röda fluorescens
När fungerar enzymet bäst?
pH-förändringar vid fotosyntes
Varför skyddsglasögon?

livsmedel
Blev disken ren?
Blå himmel och röd solnedgång
Coca-Cola vs Coca-Cola light
Den bästa bulldegen
Diska med äggula
Doft och stereoisomeri
Enzymaktivitet i ananas
Enzymkinetik för katalas
Flyter isen i matoljan?
Framställ låglaktosmjölk
Fruktköttet får solbränna
Fruktmörade proteiner
Gelégodis i vatten
Göra lim av kasein
Hur gör man kakan porös?
Hur moget är äpplet?
Hur mycket vatten finns i maten?
Höna med gummiben?
Innehåller koksaltet jod?
Kallrörd vaniljkräm och saliv
Kan man tapetsera med abborrar?
Koka Cola
Koka knäck
Maizena gör motstånd
Majonnäs - en emulsion
Massverkans lag och trijodidjämvikten
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Modellmassa av mjölk
Olja som lösningsmedel
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Pektin och marmeladkokning
Popcorn
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Skär sig majonnäsen?
Släcka fett på rätt sätt
Stärkelse och vatten - fast eller flytande?
Syror och baser i konsumentprodukter
Testa C-vitamin i maten
Utvinna järn ur järnberikade flingor
Vad händer när degen jäser?
Vad innehåller mjölk?
Vad är det i saltet som smakar salt?
Varför kan man steka i smör och olja men inte i lättprodukter?
Varför mörknar en banans skal?
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Vispa grädde
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Äta frusen potatis

urval experiment under revidering
Badbomber
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-beroende avfärgning av rödkål
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Pulversläckare
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Tvätta i hårt vatten
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening