Den brinnande sedeln

Tillhör kategori: energi, förbränning, urval reviderat experiment

Författare: Svante Åberg   Medverkande: Peter Holmström, Jens Lindgren

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

Den brinnande sedeln

Brandfarligt 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Labben går ut på att man tänder eld på en sedel som börjar brinna, men den förstörs inte. Hur kan det komma sig?

Riktlinjer

Försöket genomförs som ett lärarexperiment med en efterföljande diskussion om orsakerna till fenomenet.

Förkunskaper som barnen behöver ha, varierar med vad man vill ha ut av experimentet. Om man bara vill väcka barnens nyfikenhet, behövs inga speciella förkunskaper. Vill man däremot att eleverna skall få en djupare förståelse för försöket, krävs en viss förkunskap i alkoholer och termokemi.

Säkerhet

Observera att inga lättantändliga vätskor eller föremål ska finnas i närheten av öppen eld. Antänd därför inte sedeln i närheten av vatten-etanolblandningen som sedeln doppas i.

T-röd

T-röd är en brandfarlig vätska. Observera särskilt risken med att etanol förångas och tillsammans med luft bildar en explosiv blandning i flaskan med T-röd. Att hälla T-röd ur flaskan i närheten av öppen eld kan orsaka en explosiv utblåsning av rödsprit med en stor flamma som kan ge brännskador.

Överbliven T-röd sparas (eller kan spolas ned i avloppet tillsammans med rikligt med vatten).

Materiel

Förarbete

Experimentet kräver mycket lite förarbete. Eventuellt kan man tillreda lösningen i förväg.

Utförande

Lösningens sammansättning är 62 volymprocent T-röd och 38 volymprocent vatten. Det behövs inte särskilt mycket av lösningen så det räcker om man för enkelhetens skull blandar till 100 ml.

Labben kan göras lite mer effektfull genom att lösa lite av en metallsalt i lösningen. Då får man en starkare färgad låga. Olika salter ger olika färger.

  1. Blanda 62 ml T-röd och 38 ml vatten.
  2. Tillsätt eventuellt en knivsudd av något salt, t ex koksalt (NaCl, ger gulorange färg) eller kopparklorid (CuCl2, ger grön färg)
  3. Doppa hela sedeln i blandningen och plocka sedan upp den med degeltången.
  4. Låt blandningen droppa av lite grann, men bara några sekunder, och tänd sedan på sedeln
  5. Snurra hela tiden sedeln medan den brinner för att inte samma sida hela tiden skall vara uppåt.

Tips: Prova först ett vanligt papper, för att se så inte papperet fattar eld, innan du "antänder" en sedel.

Att fundera på

Varför brinner inte sedeln upp?
Varför bör man snurra på sedeln medan den brinner?

Förklaring

Det är väldigt viktigt att blandningen vatten/etanol blir rätt, eftersom den kemiska reaktionen som äger rum frigör precis rätt mängd värme vid den blandningskvoten.

Det som händer är att värmen som bildas vid reaktionen förångar det vatten som finns i sedeln. Den energi som används, är värmeenergin som bildas vid den kemiska reaktionen då etanolen brinner. Om man blandar i för mycket etanol, kommer det att frigöras så mycket värmeenergi att vattnet förångas, plus att det blir över värme som då antänder sedelpapperet. Om man däremot blandar i för lite etanol, kommer inte den frigjorda värmen att räcka till för att förånga allt vatten.

Anledningen till att papperet fortfarande är fuktigt vid tången är att den värme som ska värma upp och förånga vattnet, också kommer att värma upp tången. Då räcker inte värmen till för att förånga allt vatten just där.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Vad är en alkohol?

Alkoholer av olika slag är ett vanligt inslag i vardagen, men vad är de rent kemiskt?

Alla alkoholer tillhör den organiska kemin. De organiska föreningarna består endast av fyra olika ämnen, vilka är väte (H), syre (O), kol (C) och kväve (N). Trots att den organiska kemin byggs på endast fyra grundämnen känner man idag till 10 miljoner olika organiska föreningar. För att ett ämne skall klassas som en alkohol måste det vara en kolvätekedja där en eller flera väteatomer har bytts ut mot en eller flera hydroxygrupper (-OH). Alla alkoholer är uppbyggda av tre av de fyra organiska grundämnena, nämligen kol, väte och syre.

Det är inte alla ämnen i en molekyl som bestämmer ämnets kemiska karaktär, det är endast ett fåtal atomer, samlade i grupper, som avgör detta. Dessa grupper kallas för funktionella grupper och exempel på en sådan är alkoholens hydroxygrupp. Det är också de funktionella grupperna som ger ett ämne dess systematiska namn. Om en kolvätekedja innehåller en hydroxygrupp kommer dess namn att sluta på -ol. Som exempel kan nämnas etan, som får det systematiska namnet etanol då kedjan innehåller en hydroxygrupp.

Alkoholer har alltid högre kokpunkter än sina motsvarande kolväten, detta beror på att hydroxygrupperna bildar vätebindningar mellan varandra, det kan inte de rena kolvätena göra. Som exempel kan nämnas etan och metanol, vilka båda har molvikten 30 g medan kokpunkterna är -89 °C respektive 65 °C.

Vilken reaktion sker i experimentet?

Det kemiska förloppet som sker är:

C2H5OH + 3 O2 CO2 + H2O + energi
etanol   syrgas   koldioxid   vatten    

Blandningsförhållandet etanol-vatten

Vi provade oss fram och fann att blandningen 62 volymprocent T-röd och 38 volymprocent vatten gav det bästa resultatet. Tyvärr så fattar papperet eld om man blandar 2/3 T-röd och 1/3 vatten.

GDC: Energi

När något brinner utvecklas värme. Förbränningen är en exoterm reaktion som avger värmeenergi till omgivningen. Vid förbränningen reagerar etanol med syre och bildar koldioxid och vatten. Etanolen och syret är mer energirika ämnen än koldioxiden och vattnet. Mellanskillnaden är den energi som förbränningen utvecklar.

Man kan tänka sig att en kemisk reaktion avger energi i andra former än värme. Till exempel kan energi avges som ljus. Det sker också i experimentet, men energin i det synliga ljuset är mycket liten i förhållande till värmeenergin. I praktiken kan man försumma den energi som avges som synligt ljus.

Men det finns också långvågig strålning som ligger utanför det synliga området. Den långvågiga strålningen kan också beskrivas som värmestrålning eftersom alla varma kroppar avger denna form av strålning. Värmestrålningen från förbränningen är ganska stor. Men värmestrålningen absorberas snabbt av luften och annan materia som finns i närheten. Att så sker kan man märka på att luften och de övriga materialen som tar emot strålningen blir varma.

Värmeenergi kan också avges genom ledning, dvs. i direktkontakt mellan materialen. I experimentet brinner det mycket nära papperet i sedeln. Sedeln värms därför upp både genom värmeledning och genom värmestrålning från lågan.

Vatten-etanollösningen som sedeln har doppats i värms upp och förgasas. Det är etanolen som brinner och ger en låga som utvecklar värme. Men vattnet brinner inte, utan förbrukar en stor mängd energi när det avdunstar. Avdunstningsprocessen är mycket energikrävande. Det gäller speciellt för vatten, men även etanolens avdunstning kräver energi.

Vatten har en kokpunkt på 100 C. Så länge det finns vatten i vätskeform kvar kan temperaturen inte överstiga 100 C. Den temperaturen är för låg för att papperet ska kunna antändas. Blandningen etanol-vatten har provats ut så att etanolen ska ta slut innan allt vatten har avdunstat. Därför antänds aldrig sedeln.

I teorin skulle etanolen räcka för att både koka bort allt vatten och sedan antända papperet i sedeln. Men eftersom energiförlusterna via både värmeledning och värmestrålning till omgivningen är så stora, så fungerar experimentet i praktiken. Den som är duktig på att räkna kan slå upp värden på förbränningsvärmen i reaktionen och hur mycket värme som teoretiskt skulle behövas för att koka bort allt vatten. Genom att jämföra den teoretiska mängden etanol som behövs med den vi ser i praktiken så kan man beräkna hur stor andel av energin som tas tillvara i reaktionen.

Fördjupning

Metanol

Användning och framställning

Trots sin enkelhet och litenhet är metanolen tillsammans med etanolen en av de mest användbara substanserna inom den kemiska industrin. Detta tack vare sin mångsidighet i kemiska reaktioner. De kan omvandlas till praktiskt taget alla andra alifatiska föreningar. Alifatiska föreningar är organiska föreningar som i huvudsak består av en kedja av kolatomer.

Metanol Metanol kan också heta metylalkohol. Ett förenklat skrivsätt är MeOH där Me står för metyl och OH är den funktionella gruppen i en alkohol. Den kallades tidigare för träsprit eftersom den framställdes genom upphettning av trä utan tillgång till syre. Metanolen bildas vid 300 °C och 300 atmosfärers tryck genom följande reaktion:

CO + H2 →  CH3OH
kolmonoxid   vätgas metanol

Båda gaserna (kolmonoxid och vätgas) får passera över en katalysator för att reaktionen skall äga rum. Metanolen används inom industrin som grundmaterial till bl.a. fenolhartser, etansyra, klormetan och metylakrylat.

Egenskaper

Metanol är den enklaste alkoholen. Den är flyktig med en kokpunkt på 64,7C. Den polära OH-gruppen och faktum att den opolära kolvätedelen bara är en kolatom lång gör att metanolen är fullständigt vattenlöslig.

Metanol är giftigt!

Det händer att metanol förväxlas med etanol eftersom lukt och smak är snarlika. Men träsprit är mycket giftigt för människan och kan orsaka blindhet, i värsta fall död om den skulle sväljas. Det är inte metanolen i sig, utan nedbrytningsprodukterna från metanolen som är farliga. I levern oxideras metanol till metansyra (dvs. myrsyra) och formaldehyd. Myrsyran sänker pH i blodet till farliga nivåer. Tillståndet kallas acidos. Den som överlever efter att ha druckit träsprit har ofta fått permanenta skador på hjärnan eller har blivit blind.

Behandling av patienter som fått i sig metanol är att tillföra etanol intravenöst. Så länge som etanolen finns i blodet förbränns den först. Syftet med tillförseln av etanol är att patienten under tiden etanolen förbränns ska göra sig av med metanolen via andningen, svettning och via urinen.

Metanol i miljön

Trots att metanol är så giftigt är utsläpp av metanol i naturen inte så allvarliga om det inte handlar om stora mängder. Metanolen fungerar som näring för mikroorganismer som bryter ner den. Det är faktiskt så att man i reningsverkens biologiska steg tillsätter metanol för att stimulera bakterierna som bryter ner ämnena i avloppsvattnet.

mer material på avancerad nivå kommer

Etanol

Framställning

Etanol Etanolen (etylalkohol, förenklat skrivsätt EtOH) har uråldriga anor som berusningsmedel och den framställdes genom jäsning av kolhydrater från växtriket. Den kemiska reaktionen som sker är:

C6H12O6 C2H5OH + CO2
socker   etanol   koldioxid

Dessutom behövs en katalysator i form av jäst. Det är ett enzym hos jästsvampen som omvandlar kolhydraterna till etanol. Jästsvampen kan bara överleva i en alkoholhalt på ca 13 %, därefter dör den och jäsprocessen upphör. För att få högre alkoholhalt krävs att man destillerar alkoholen.

Detta var innan den petrokemiska industrin fanns. Idag framställs etanol för industriellt bruk genom hydrering av eten (kallas ibland etylen). Den kemiska reaktionen äger rum med hjälp av en katalysator och är:

H2C=CH2 + H2O C2H5OH
eten   vatten   etanol

Egenskaper

Kokpunkten för etanol är 78 C och fryspunkten -114 C. Den låga fryspunkten gör etanolen lämplig att använda i termometrar. För bättre synlighet färgas den vanligen röd eller blå. Förr användes kvicksilvertermometrar, men de förbjöds av av miljöskäl.

Etanol är lättantändlig och brinner med en blå låga om syretillförseln är god. Flampunkten för ren etanol är 16,6 C. Det innebär att vid temperaturer över 16,6 C bildas det tillräckligt med etanolångor ovanför vätskan för att de ska vara antändbara, förutsatt att ångorna inte ventileras bort. Under denna temperatur kan ångorna inte antändas eftersom koncentrationen av etanolångor är för låg.

I vatten-etanolblandningar är volymen mindre än samma mängd vatten och etanol separat. Det beror på att vatten har ett inslag av struktur även i flytande form som beror på vattenmolekylens vinkel och hur vattenmolekylerna binder till varandra med vätebindningar. Strukturen är då hexagonal, på motsvarande sätt som i snökristaller. Denna struktur är lucker. När etanol blandas med vatten fyller etanolmolekylerna delvis ut det tomrum som finns i vattnet och därför är blandningen mer kompakt än vattnet är enskilt.

Etanol som lösningsmedel

Etanol är vattenlöslig i alla blandningsförhållanden. Den vattenlösliga delen är OH-gruppen som bildar vätebindning till vatten. Den icke vattenlösliga kolvätekedjan med två kolatomer är för kort för att påverka lösligheten i vatten.

Som lösningsmedel kan man dock se skillnad på etanol och metanol. Den något längre kolvätekedjan i etanol med 2 kolatomer i jämförelse med metanolens enda kolatom gör etanolen till ett sämre lösningsmedel för salter. Å andra sidan är etanol bättre lösningsmedel än metanol för feta ämnen, vilket man märker vid fläckborttagning.

Etanol används som lösningsmedel i många sammanhang. Ett exempel är munskölj. Den finns i vattenbaserade färger, rengöringsmedel, i läkemedel, lacker och bläck.

Berusningsmedel

Etanolen, eller "alkoholen", har använts som berusningsmedel sedan mycket länge tillbaka. Etanol bildas naturligt i jäsningsprocesser, t.ex. då frukt blir gammal. Man kunde därför oavsiktligt bli berusad av fermenterad mat. Det är välkänt att alkoholen försämrar omdömet och reaktionsförmågan, men den kan även vara avslappnande.

Benämningen "alkohol" är egentligen ett begrepp som täcker in alla kolväten som har en eller flera OH-grupper. Exempelvis är också träsprit (metanol) en alkohol. Men i dagligt tal brukar man mena etanol när man talar om alkohol.

Medicinska effekter

I kroppen oxideras etanolen till acetaldehyd. Det är ett skadligt ämne som orsakar illamående, så kallad "bakfylla". Acetaldehyden oxideras sedan vidare till etansyra (dvs. ättiksyra) med hjälp av ett enzym.

Etanolen är beroendeframkallande. Långvarigt bruk leder till många allvarliga medicinska tillstånd. Bland de mer kända är skrumplever som innebär att levervävnaden bryts ned och omvandlas till bindväv. Allt större delar av levern dör, blir hård och skrumpnar sedan. En annan känd effekt av långvarigt bruk är hallucinationer och psykiska problem såsom delirium tremens. Ytterligare medicinska problem som förekommer är bland annat högt blodtryck, depression, impotens och strupcancer.

Etanol som fordonsbränsle

Etanolen har samma brandklass som bensinen. En nackdel är att etanol inte förångas lika lätt som bensin i låga temperaturer, och det gör den svår att använda på breddgrader med mycket kallt klimat. Etanol används dock som fordonsbränsle med benämningen E85. Den innehåller 85 % etanol och 15 % bensin sommartid. Vintertid då etanolens begränsade flyktighet kan vara ett problem är proportionerna 75 % etanol och 25 % bensin.

Eftersom etanolen har ett lägre energiinnehåll vid förbränning än bensin är också etanolbilarna törstigare. En fördel med etanol är dock att den kan framställas ur biomassa. Om det kan ske utan att produktionen i övrigt förbrukar stora mängder fossila bränslen, t.ex. för traktorer och transporter inom jordbruket, så kan nettoutsläppet av koldioxid minskas genom att använda etanol som bränsle. De stora koldioxidutsläppen är ju ett allvarligt problem som orsakar global uppvärmning med ekonomiska påfrestningar och social oro när människors levebröd försvinner.

Etanol som industriråvara

Etanol används främst vid framställning av etanal och som lösningsmedel.

Den tekniskt framställda etanolen görs odrickbar genom denaturering. Rödsprit, ofta kallad T-röd, består vanligtvis till 95% av etanol och 5% av denatureringsmedel, som gör alkoholen odrickbar. Exempel på denatureringsmedel är isopropanol, etylacetat, metyletylketon, metylisobutyl-keton, dietylftalat, butylacetat, butanol, Bitrex®, toluen. Dessutom ingår färgämnen.

Destillation

När en blandning av etanol och vatten förångas är etanolen betydlig mer lättflyktig än vattnet. Det medför att halten etanol är mycket högre i ångorna som bildas än i etanollösningen. Detta är principen för uppkoncentrering med hjälp av destillation. Ångorna måste sedan kylas för att man ska få tillbaka dem i vätskeform, men då med högre etanolhalt. Det är dock förbjudet enligt lag att destillera etanol privat.

Destillationen av alkoholen kan utföras i flera omgångar eller med avancerad destillationsapparatur för att maximera etanolhalten. Det är dock i princip omöjligt att uppnå en högre etanolhalt än 96 %. Etanol-vattenblandningen har en azeotrop vid 96 % etanol. Om man skulle försöka destillera en etanollösning med högre halt än 96 % skulle den i stället bli mindre koncentrerad eftersom ångorna som avges är rikare på vatten än etanol ovanför punkten för azeotropen.

mer material på avancerad nivå kommer

Natriumklorid

Natriumklorid är en kemisk förening av natrium och klor med formeln NaCl. I dagligt tal säger via bara "salt" eller "koksalt" när vi talar om natriumklorid, men det är bara ett av många olika salter som existerar. Koksalt är ett lättlösligt salt. Det används i matlagningen för smaksättning, men det fungerar också som konserveringsmedel. Bakterier kan nämligen inte växa om salthalten blir för hög.

Det finns olika kvalitéer av natriumklorid.

  1. Råsalt - Om man samlar vattnet från t ex hav eller sjö i stora bassänger (s.k. saliner) och låter vattnet avdunsta kan man ta vara på det salt som naturligt finns i vattnet. I riktigt varma länder kan salt också utvinnas när naturliga saltöknar bildas. Bergssalt etc utvinns från berggrunden i speciella saltgruvor. Råsalt är ett orenat salt med stora korn, som man vanligen ser i form av ett grovsalt och det kan ha olika färgtoning.
  2. Natriumklorid - Den rena formen tillverkas genom att naturligt råsalt löses i vatten, kokas och omkristalliseras. Det kan också tillverkas kemiskt när klor får reagera med natrium, reaktionen är mycket häftig och utvecklar både starkt gulaktigt sken och intensiv värme. Saltet som bildas är ett fint, vitt kristalliniskt pulver eller färglösa, vitaktiga kristaller.
  3. Hushållssalt - Råsaltet renas, natriumklorid/renat råsalt ges tillsatser. Dagens hushållssalt känner vi igen som vitt, finkornigt och lättrinnande.

Förekomst

Både natrium och klor är mycket reaktiva ämnen och förekommer därför inte som rena ämnen i naturen. Eftersom natriumjonerna och kloridjonerna har motsatt elektrisk laddning attraheras de kraftigt till varandra och bildar då koksalt.

Natriumklorid finns i stora mängder i haven. Ursprungligen kommer saltet från berg som vittrat och lakats ur av vatten. Vattnet har runnit ned till havet där saltet blivit kvar. Havsvattnet avdunstar och bildar moln som sedan fäller sitt vatten över land. Vattnet ingår därför i ett kretslopp. Men koksaltet kan inte avdunsta. Därför stannar saltet kvar i haven.

Det händer att hav torkar in. Ett aktuellt exempel är Aralsjön i Centralasien. Ett annat exempel som inträffade för ungefär 6 miljoner år sedan var när Medelhavet blev torrlagt därför att det tappade kontakten med Atlanten. Vattnet avdunstande och det bildades en saltskorpa som på sina ställen var flera hundra meter tjock. Saltavlagringarna begravdes sedan så att de nu är gömda i underjorden. Sådana geologiska händelser kan föra bort natriumklorid från havsvattnet, och det har hänt många gånger i jordens historia.

Utvinning av salt sker dels genom brytning i gruvor där man har saltavlagringar, dels genom att låta havsvatten avdunsta och samla ihop saltet som blir kvar. Saltet är inte rent koksalt, för det finns även mindre mängder av bland annat magnesiumklorid i havsvattnet. Salthalten i de stora världshaven ligger kring 2,5 – 3,5 %. Av detta salt utgör natriumkloriden cirka 78 %.

Användning

NaCl har i alla tider varit av mycket stor kommersiell betydelse och är nu en av de allra viktigaste industriråvarorna. Den är råvara för praktiskt taget alla natrium- och klorföreningar och förbrukas dessutom i stora mängder som krydda och konserveringsmedel för olika matvaror.

Koksaltet blev tidigt en av världens viktigaste handelsvaror. Under medeltiden bröts stora mängder salt i gruvor i Tyskland och Österrike. Saltet forslades sedan norrut via den så kallade Saltvägen, Via Salaria. När Indien frigjorde sig från Storbritannien demonstrerade man symboliskt mot den Brittiska överhögheten med att genomföra en marsch som protest mot saltskatten.

Koksalt används som issmältningssalt (vägsalt) på våra vägar vintertid. Saltet sänker smältpunkten för is, vilket gör att om temperaturen bara ligger på enstaka minusgrader så kan isen töa bort. Problematiskt är att saltet skadar grundvatten och växtlighet och att det orsakar kraftig rostbildning på fordon och släp som inte har ett fullgott rostskydd.

Egenskaper hos natriumklorid

Kristall av natriumkloridtyp,
med kubiskt gitter.

Koksalt, NaCl, kristalliserar vanligen i kuber med en struktur av natruimkloridtyp. Om kristallisationen sker ur vattenlösning uppstår lätt vatteninneslutningar som vid upphettning sprängs med ett knastrande ljud, saltet ”dekrepiterar”. Smältpunkten för natriumklorid är 801 ºC, kokpunkten 1440 ºC. Som mineral kallas natriumklorid ofta stensalt och är ofta blåfärgat. Den blå färgen beror på närvaron av så kallade F-centra, som troligen uppstått genom strålning från radioaktiva kaliumatomer, 40K, som är inbyggda i kristallen.

Ren natriumklorid är inte hygroskopisk, men handelns koksalt är ofta förorenad av hygroskopiska magnesiumsalter som gör att saltet tar upp fukt från luften.

Fysiologisk saltlösning i människor och djur

Man är ganska säker på att livet en gång uppstod i haven och att levande varelser därefter sökte sig upp på land. Djurens kroppsvätskor innehöll salt, och det är ett arv som vi har från forntiden. Salthalten i kroppens celler är 0,9 %. En saltlösning med denna koncentration kallas för fysiologisk saltlösning. Om man injicerar vätska i kroppens vävnader eller i blodomloppet måste salthalten vara fysiologisk. Annars sker osmos som antingen får cellerna att torka ut eller att svälla och kanske spricka.

Osmos är när vatten vandrar genom ett halvgenomträngligt membran från den sida där det finns mest vatten, vilket är på den sida av membranet som salthalten är lägst, och vandrar till den andra sidan av membranet där vattenhalten är lägre och salthalten högre. Om man injicerar rent vatten kommer cellerna att ta upp vatten, svälla och kanske spricka. Om man injicerar vätska med för hög salthalt skrumpnar cellerna när vattnet vandrar ut ur dem.

Man kan utnyttja att saltet drar ut vatten ur cellerna för att konservera matvaror. Bakterier, mögel och annat kan då inte växa eftersom de torkar ut. Då förstörs inte heller maten. Salt sill från Norge och salt fläsk från Amerika var basföda för en stor del av befolkningen i Sverige förr i tiden. Nu vet vi att det inte är nyttigt att äta för mycket salt. Saltet tenderar att höja blodtrycket. Det har också med osmosen att göra.

Men kroppen behöver salt. När människor och djur inte har tillgång till salt så blir saltet åtråvärt. Älgar och renar är förtjusta i saltstenar som man sätter upp. De får inte i sig så mycket salt i den mat de äter naturligt.

Allvarlig saltbrist kallas hypnoatremi och är ett tillstånd där halten natriumjoner och blodet är för lågt. Normalt har njurarna kapacitet att utsöndra överflödigt vatten, men det har hänt att personer i samband med sportutövning eller bantning har druckit extremt mycket vatten under kort tid och råkat ut för vattenförgiftning. Kroppens celler tar då upp vatten och sväller till onormal storlek. Symptom är desorientering, huvudvärk och yrsel som uppstår när blodflödet hindras. Man blir illamående och talet blir sluddrigt. Tillståndet är allvarligt och kan i sällsynta fall leda till döden. LD50 är den dos som gör att 50 % av personerna avlider. För vatten är LD50 ≈ 6 liter för en vuxen person.

Motsatsen, för högt intag av koksalt, är också farligt. För natriumklorid är LD50 ≈ 12 g NaCl/kg kroppsvikt. Om du t.ex. väger 50 kg så är risken att avlida 50 % om du äter 600 g koksalt.

Lågfärg hos kemiskt ämne

En kemilärare demonstrerar lågfärgen hos koppar. Photo credit: Connor Lee on Wikimedia Commons

En metod att undersöka vilka metalljoner som finns i ett salt är att titta på lågfärgen. Man löser lite av saltet i bränslet, som t.ex. kan vara metanol. Antänd bränslet och låt det brinna med god syretillförsel. Färgen på lågan avslöjar vilken metalljon som finns i saltet.

Några metallers lågfärger är

Litium: röd-rosa
Natrium: gul
Kalium: lila
Barium: blekt grön
Kalcium: orange
Koppar: blågrön


Värmestrålning eller ljusemission från kemiska reaktioner – två sätt att skapa ljus

En låga som brinner utsänder ljus. Om det är en låga från t.ex. ett stearinljus brukar lågan vara gulaktig på grund av att heta sotpartiklar är så varma att de glöder. Denna typ av strålning kallas svartkroppsstrålning och har att göra med temperaturen.

Andra lågor, där det inte finns sotpartiklar, utan bara gasmolekyler som förbränns, brinner ofta med nästan osynlig låga. Exempelvis får man en sådan låga när ren metanol eller gasol förbränns med god syretillförsel. Om det är ganska mörkt i rummet brukar man kunna se att lågan är blåaktig. Ljuset som sänds ut från en sådan låga har en färg som kommer från de kemiska reaktionerna i förbränningen. Färgen är ett resultat av energiövergången mellan olika elektronnivåer i molekylerna.

Så uppstår lågfärgen

Om man löser ett salt i bränslet, så kommer metalljonerna att upphettas i lågan. En elektron i metalljonen exciteras från grundnivån till ett högre energitillstånd. Elektronen lyfts alltså upp till ett högre energiskal av energi som kommer från kollisioner orsakade av den häftiga värmerörelsen.

Men elektronen faller mycket snabbt tillbaka till sitt grundtillstånd. Skillnaden i energi mellan elektrontillstånden avges i form av en foton. Fotonens våglängd är bestämd av dess energi. Våglängden motsvarar en viss färg i ljusspektrum.

Eftersom det finns flera alternativa elektronnivåer i jonen som elektronen kan hoppa mellan, så finns det också flera alternativa våglängder hos ljuset som kan sändas ut. Men uppsättningen av möjliga energinivåer är unik för den typ av jon som det handlar om. Exakt vilka ljusvåglängder som sänds ut är därför ett "fingeravtryck" på metalljonen. Alla dessa spektrallinjer blandas till den färgnyans som vi uppfattar.

Linjespektra för natrium (övre) och kalcium (nedre). Photo credit: NASA on Wikimedia Commons

Om man använder en spektrometer, så kan man dela upp ljuset i exakt de ljusvåglängder som sänds ut. Man ser då ett antal linjer i ljusspektrum där varje linje motsvarar en speciell elektronövergång i jonen. Linjespektrum ger en mycket säkrare och exaktare bestämning av vilken metalljon som finns i provet. Med linjespektrum är det också möjligt att identifiera flera olika atomslag som finns i samma prov.

mer material på avancerad nivå kommer

Brand

Med brand menas ofta eld som man tappat kontrollen över, åtminstone delvis. Ett gammalt talesätt är att ”elden är en god tjänare, men en sträng herre”. Risken för eldsvåda var mer näraliggande förr i tiden när husen var timrade, taken var täckta med träspån och man eldade i spisen för att laga mat och få värme. Små misstag, som att en gnista hamnade på fel ställe där den kunde starta en eld, kunde lätt ske.

Numera är riskerna för bränder mindre, men bränder orsakar fortfarande stora skador och tar ibland liv. Enligt statistik är de vanligaste orsakerna till brand i bostaden elfel, levande ljus, rökning, och köksspisen. Slarv och misstag ligger bakom flertalet bränder, men också bristande underhåll av till exempel elektrisk utrustning eller utebliven sotning av skorstenar.

Förutsättningar för brand illustreras av brandtriangeln


Brandtriangeln anger vad som krävs för brand.
"Fire triangle" av Gustavb" CC BY-SA 3.0

Eld är en kemisk reaktion där brännbara gaser reagerar med luftens syre under stark värmeutveckling. Vi ska titta närmare på vad som krävs för att underhålla en brand. En symbolisk figur som beskriver detta är den så kallade brandtriangeln. Om alla tre sidorna i triangeln föreligger, så är brand möjlig.

Det som behövs är: bränsle, syre, värme.

Bränsle

Bränsle är sådant som kan reagera med oxidationsmedel, såsom luftens syre.

Bränslet är nästan alltid organiskt material som har bildats med hjälp av fotosyntesen. Energin i solstrålningen har på så sätt lagrats i biomassan.

Ved är ett exempel på bränsle som bildas kontinuerligt i våra skogar. Kol, olja och naturgas är fossila bränslen som en gång i tiden var ved, blad och döda djur som gömdes under sediment och så småningom under årmiljonerna omvandlades till sin nuvarande form. De fossila bränslena skapades också genom fotosyntesen, vare sig de kommer från växter eller djur. Djuren fick ju sin energi genom att äta av växterna.

I princip kan även metaller vara bränslen, men det är ovanligt. Aluminium eller magnesium i är dock mycket brandfarligt om man väl fått eld på det. I solida block antänds metallen inte så lätt, men i pulverform kan branden bli explosionsartad.

Om det saknas bränsle, så kan det inte brinna. Stoppar du inte in fler vedträn i brasan, så kommer veden att ta slut och elden slockna, även om eldstaden är tillräckligt het och det är god syretillförsel.

Syre

Syret har förmågan att oxidera bränslet. Elden är alltså en redoxreaktion där syret är oxidationsmedel och bränslet reduktionsmedel. Även andra oxidationsmedel än syre kan underhålla förbränning. Till exempel kan man lika gärna elda i klorgas som i syrgas. Men syret finns ju överallt i luften, så i praktiken är det syret vi talar om när vi pratar om brand.

När syret reagerar med bränslet så sker en förbränning, vilket innebär att kol och syre bildar koldioxid och väteatomer i bränslet reagerar med syre till vatten. Har vi ett "rent" bränsle, så blir reaktionsprodukterna bara koldioxid och vatten. Förbränningsreaktionen är exoterm, dvs. avger värmeenergi. Kvar blir reaktionsprodukterna koldioxid och vatten, som är energifattiga.

Det krävs en kontinuerlig syretillförsel för att branden ska fortsätta. Om man täcker över elden, så kommer syret inte åt. Då slocknar elden. Vill man i stället få igång elden, så kan man blåsa på den. Den ökade syretillförseln ökar på reaktionshastigheten. Den ökade reaktionen ger kraftigare värmeutveckling och elden flammar upp.

Det är också den ökade syretillförseln som gör att brandrisken är mycket större när det blåser. Det handlar inte bara om att gnistor kan flyga med vinden och antända nytt bränsle, utan också om att värmeutvecklingen blir mycket kraftigare.

Värme

En låga kräver att bränslet är i gasform.

Om bränslet är t.ex. acetylen, så är det i gasform redan från början. I en acetylensvets blandas gas från acetylentuben med syret från syrgastuben i svetsmunstycket. Bränslemolekylerna och syrgasmolekylerna måste komma i kontakt med varandra för att reagera. I gasblandningen är denna kontakt mycket effektiv. Därför kan acetylensvetsen brinna med mycket hög temperatur.

Om bränslet är t.ex. ved, så måste veden förångas till gaser innan den kan börja brinna. Man kunde tänka sig att ett vedträ skulle kunna brinna på ytan där träet har kontakt med luften, men det blir för lite fart på reaktionen för att den ska kunna hålla igång.

Kraftig hetta får veden att sönderdelas och brytas ned till brännbara gaser. Denna process kallas för pyrolys. Om man lyckats få igång en brasa, så utvecklas tillräckligt med värme vid förbränningen för att ytterligare ved ska pyrolyseras och avge brännbara gaser. På så sätt kan elden fortsätta brinna.

Kedjereaktion

Om det finns mycket bränsle, god syretillförsel och bränslet är både torrt och finfördelat, så som det kan vara efter torka i en skog med mycket kvistar och barr, så kan brandutvecklingen bli nästan explosionsartad. Värmeutvecklingen blir så hög att inte bara bränslet närmast veden antänds, utan även brännbart material på avstånd tar eld.

I en lägenhet kan också hettan blir så stor att lägenheten plötsligt övertänds och branden blir explosionsartad. Det har att göra med den starka värmeutvecklingen som ökar på bildningen av brännbara gaser, som i sin tur ökar på värmeutvecklingen i en kedjereaktion. Det var erfarenheter av sådana bränder som gjorde att man beskrev elden som "en sträng herre".

Litteratur

  1. Ethanol, Bassam Z. Shakhashiri, Chemical of the Week
    http://scifun.chem.wisc.edu/CHEMWEEK/Ethanol2017.pdf (2017-03-10)
  2. Lågfärger, Kemilärarnas resurscentrum (KRC)
    http://www.krc.su.se/documents/laborationer/Lagfarg.doc (2017-03-14)
  3. Metal Salt Flame Test Using Methanol (YouTube), William Kane, YouTube
    https://www.youtube.com/watch?v=9oYF-HxtoYg (2017-03-14)
  4. Flame test, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Flame_test (2017-03-14)

Fler experiment


energi
Badbomber
Citronbatteri
Ett lysande experiment - Kemiluminiscens
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Gummibandets elasticitet
Självantändning med glycerol och permanganat
Tillverka fotopapper
Visa ytspänning med kanel
Värma med ljus - bra eller dåligt?

förbränning
Bensinbrand
Bränna papper
Eld - varför brinner det?
Elda stålull
Eldprovet
Karbidlampan
Ljuset under glaset
Pulversläckare
Självantändning med glycerol och permanganat
Släcka fett på rätt sätt
Tillverka tomtebloss
Tänd ett släckt ljus med hjälp av röken
Vad händer då något brinner?
Värma med ljus - bra eller dåligt?

urval reviderat experiment
Anodisering och färgning av aluminium
Avdunstning och temperatur
Citronbatteri
Den tillknycklade plåtburken
DNA ur kiwi
Elektrokemisk skrift
Ett glas luft
Gasvolym och temperatur
Indikatorpapper för plus och minus på batteriet
Innehåller koksaltet jod?
Luftfuktighet och rostbildning
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Rostindikator visar var järnet rostar
Syrehalten i luft
Tag bort rost med elektrisk ström
Testa C-vitamin i maten
Vad händer när degen jäser?
Åka hiss