Osmos i potatis

Tillhör kategori: fysikalisk kemi, jämvikt, livsmedel, urval experiment under revidering

Författare: Svante Åberg   Medverkande: Elias Dahl

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

Tid för förberedelse: 20 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 2

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Osmos är en process där koncentrationsskillnader av olika ämnen utjämnas genom diffussion. Osmos sker genom att molekyler, joner eller atomer rör sig genom ett halvgenomsläppligt memebran ett s.k semipermeabelt membran. Sådana membran finns i cellerna, som t.ex. i potatisen i detta experiment.

Riktlinjer

Experimentet passar kanske bäst som demonstration men den enklare versionen går bra att utföra som elevexperiment.

Säkerhet

Kopparsulfat är giftigt och måste förvaras oåtkomligt för små barn samt ska efter experimentet handhas som giftigt avfall. Koppar är ett toxiskt giftigt) ämne som skadar de flesta livsformer.

Kaliumpermanganat är brandfarligt tillsammans med brandfarliga ämnen och skadligt att förtära. Om man får ämnet i ögonen ska man spola ögonen noga och länge med vatten.

Kopparjoner oxiderar järn i avloppsledningar och ska därför inte spolas ned i avloppet. Ett sätt att återanvända kopparen är att stoppa ned järn i kopparsulfatlösningen då fälls kopparjonerna ut som kopparatomer medan järnet löses som joner. Man kan sedan hälla ut lösningen i avloppet och återanvända kopparen.

Materiel

Avancerad version

Enkel version

Förarbete

Inget förarbete

Utförande

Avancerad version

Denna version kräver noggrannhet och rätt utrustning. Fördelen är att man får ett kvantitativt mått på hur långt osmosen fortskrider.

Tillfälle 1: Ställ i ordning experimentet

Materiel till experimentet
Bild: © Elias Dahl
  1. Gör ett hål i bakpotatisen som är precis lagom att klämma ned den ihåliga korken i.
    Bild: © Elias Dahl

  2. Gröp sedan ur ett större hålrum i poatatisen utan att förstora själva ingångshålet.
  3. Fyll potatisen med 4 delar rörsocker och 1 del kopparsulfat.
    Bild: © Elias Dahl

  4. Sätt i glasröret genom korken och täta gärna med lite fett utanpå glasröret.
    Bild: © Elias Dahl

  5. Sätt i korken i hålet i potatisen och täta gärna med fett på korkens kanter.
    Bild: © Elias Dahl

  6. Lägg potatisen i glasskålen och sätt fast glasröret riktat lodrätt med klämman.
  7. Fyll på med vatten i skålen upp till precis under korkens höjd på potatisen.
  8. Låt potatisen stå 1 dygn.

Tillfälle 2: Studera resultatet

  1. Observera hur vatten innehållande löst socker och kopparsulfat har trängt upp i röret p.g.a. diffusion och osmos.
Bild: © Elias Dahl

Enkel version

Tillfälle 1: Ställ i ordning experimentet

Denna enklare variant av försöket passar i tidigare år i skolan. Den kräver inte så stor noggrannhet och utrustningen är enklaste tänkbara.

  1. Gröp ur en bakpotatis och gör en stor ingångsöppning.
    Bild: © Elias Dahl

  2. Fyll potatisen med rörsocker. Om du önskar färg kan du också sätta till några korn kaliumpermanganat (påverkar inte resultatet).
    Bild: © Elias Dahl

  3. Lägg potatisen i en skål och fyll med vatten precis så högt att vattnet inte kan strömma in gemon öppningen i potatisen.
  4. Låt potatisen stå i 1 dygn.

Tillfälle 2: Studera resultatet

  1. Vid nästa tillfälle kan man observera hur vatten trängt in i potatisen och hur vattnet färgats av kaliumpermanganatet.
    Bild: © Elias Dahl

Förklaring

Vatten kan passera genom cellmembranen och in i potatisens urgröpning, men det gör inte sockret eftersom membranen inte släpper igenom så pass stora molekyler. Resultatet blir att vatten strömmar in i potatisens urgröpning och trycket ökar. På grund av det ökade trycket pressas vatten upp i glasröret.

Vattnet är blått till färgen p.g.a. att kopparsulfatet löst sig i vätskan. Transporten av vatten sker p.g.a. diffussion och osmos.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Transport på molekylnivå

Diffusion

Alla små partiklar som molekyler och joner är i ständig rörelse. Det handlar om värmerörelse. Så snart den absoluta temperaturen är över 0 Kelvin, så har partiklarna rörelseenergi. På grund av kollisioner, så är värmerörelsen slummässig och partiklarna ändrar hela tiden riktning. Men om det är många partiklar i ett område och få i ett angränsande område, så finns en tendens att partiklarna sprids och blir alltmer jämnt fördelade över hela volymen. Diffusionen ger alltså en nettotransport av partiklar från områden med hög koncentration till områden med låg koncentration. Till slut är koncentrationen lika hög överallt.

Osmos

Om det finns ett semipermeabelt (halvgenomsläppligt) membran som skiljer en högre koncentration av löst ämne från en lägre, och det lösta ämnet består av för stora partiklar att kunna passera genom membranet, så får man osmos. Osmos är när lösningsmedlet kan passera genom membranet, men inte de lösta partiklarna.

På den sida där det är mycket löst ämne, så är koncentrationen av lösningsmedel lägre. En del av volymen tas ju upp av det lösta ämnen. Detta medför att lösningsmedel vandrar genom membranet från den sida där koncentrationen av löst ämne är lägre, till den sida där koncentrationen av löst ämne är högre. Osmosen leder till att den mer koncentrerade lösningen späds ut. Osmosen bidrar alltså till att jämna ut koncentrationerna.

Transport i biologiska celler via osmos, diffusion och blodflöde

Vi är helt beroende av osmos och diffusion för att överleva. Alla näringsämnen förutom fett (fett tas först upp av lymfkärl) passerar t. ex genom tarmväggen och in i de mycket tunna blodådror som kallas kapillärer. Detta sker genom osmos. Diffusion går inte tillräckligt snabbt för att transportera ämnen några längre sträckor. Detta beror bland annat på att tiden det tar för ett ämne att diffundera från ett ställe till ett annat med kvadraten på avståndet. En glukosmolekyl kan förflytta sig 1 µm på 1 ms och 10 µm på 100 ms vid 37°C. Det tar dock 1 dygn för glukosmolekylen att diffundera en sträcka på 1 cm. Vi klarar ändå av att försörja alla celler med näring och syre samt att avlägsna avfallsprodukter tack vare ett pumpande hjärta som för ut ämnena snabbt till alla delar i kroppen samt ett enormt välutbyggt nätverk av kapillärer vilket gör att ingen cell i kroppen befinner sig längre än 1mm från närmaste kapillär.

I bilden ser vi att att alla celler har nära till det stora nätverk av kapillärer som finns i hela vår kropp och att större blodådror där blod färdas fortare p.g.a högre tryck förser kapillärerna med blod.
Bild: © Wikipedia

Kapillärkrafter

Det kan finnas andra anledningar till att vatten stiger upp i ett rör. Anledningen till detta kan vara s.k kapillärkrafter vilka kan få vatten att stiga längs med insidan av glasröret. Ju smalare röret är ju högre kan vattnet stiga. I detta experiment bör därför inte glasröret ha en diameter understigande 5 mm. Kapillärkrafter är egentligen beroende av två andra krafter, den sammanhållande kohesionskraften mellan en vätskas molekyler och adhesionskraften som finns mellan dessa molekyler och materialet som vätskan befinner sig i. I vatten är det vätebindningar mellan vattenmolekylerna som ger kohesion och den dragningskraft som får vatten att klättra utmed glasrörets väggar kallas för adhesion.

Polär kovalent bindning ger laddningsförskjutning i molekylen

Vätebindningen mellan vattenmolekylerna har sin grund i den polära kovalenta bindningen mellan atomerna inom vattenmolekylen.

I en kovalent bindning har 2 olika grundämnen förenats via elektronparbindning (molekylbindning, kovalent bindning) på så sätt att de delar på ett eller flera par elektroner. Detta delande av elektroner är dock inte helt jämlikt. Ena atomslaget i elektronparbindningen är mer elektronegativt och har större dragningskraft på elektronerna i det delade elktronparetän atomslaget i andra änden av bindningen. Det innebär att elektronerna i sin ständiga rörelse i så kallade orbitaler oftare befinner sig i närheten av detta mer elektronegativa grundämnes atomkärna. Därför blir denna del av molekylen är mer negativt laddad än resten av molekylen. I vattenmolekylen är det syreatomen som har störst dragningskraft på elektronerna så att syret kommer att vara mer negativt laddat än de 2 väteatomerna som ingår i molekylen. Väteatomerna blir p.g.a detta istället något mer positivt laddade. Detta leder i sin tur till elektrisk dragningskraft kommer verka mellan syreatomen i en vattenmolekyl och vätemolekylerna i en annan vattenmolekyl så att dessa dras mot varandra då negativa och positiva laddningar alltid dras mot varandra. En vattenmolekyl kan på detta sätt maximalt ha vätebindningar till 4 st andra vattenmolekyler. Den starka kovalenta bindningen mellan vattenmolekyler ger bl. a upphov till ytspänningen vilken möjliggör för smådjur som t. ex skräddare att gå på vattenytan.

Vattenmolekylens polära kovalenta bindningar och vinklade form gör molekylen till en dipol. Samtidigt kan väte bundet till syre ingå vätebindning med intilliggande vattens syreatom.
Bild: © Skolkemi

Fördjupning

Diffusion genom membran

Molekylrörelsen sprider partiklarna

Molekyler och andra partiklar har kinetisk energi om de har en temperatur över den absoluta nollpunkten -273 °C. Denna energi gör så att molekyler alltid är i rörelse. I fasta ämne kan partiklarna bara vibrera, men i gaser och lösningar kan partiklarna börja vandra omkring. Det gör att partiklarna blandas med varandra.

Diffusion är ett resultat av denna rörelse. Rörelsen gör att alla molekyler eller joner oavsett ämne sprider sig i så hög grad de kan, precis på samma sätt som värme sprider sig. Alla molekylers rörelser är slumpvisa vad gäller riktning men de rör sig fortare ju mer värmenergi de har, dvs. ju större lagrad hetta.

Trots att rörelserna är slumpvisa så kan man med hjälp av sannolikhetslära bestämma att nettotransporten av en viss typ av molekyler kommer att ske till största del i en viss riktning under en bestämd tid. Statistiken visar att nettotransport sker från områden med hög koncentration till områden med låg.

Ett membran blir en barriär som skiljer lösningar åt

Man kan skilja två lösningar eller gasblandningar åt med ett membran. Sammansättningen av partiklar blir då olika på de två sidorna. Eftersom diffusionen tenderar att blanda partiklarna så att det till slut blir lika koncentration överallt, så får man en nettotransport över membranet åt ett bestämt håll som beror på koncentrationerna.

Diffusionen genom membranet är alltid långsammare än i lösningen eller gasblandningen. Men hastigheten kan ökas genom att välja ett membran som dels är väldigt poröst, dels mycket tunt.

Membranet kan fungera som ett filter

En möjlighet med membraner är att sortera bort större partiklar som inte ryms i porerna. Till exempel kan diffusion av vatten genom membran användas för vattenrening. Både smutspartiklar och bakterier undviks då.

Diffusion genom membran som skiljer två lösningar med olika koncentration

Nettotransporten vid diffusion sker från hög koncentration till låg.
Bild: Svante Åberg

I bilden föreställer de blå partiklarna ett löst ämne. Lösningen kan vara en vätska, men gasblandningar är också en typ av lösningar. Barriären i mitten är ett semipermeabelt membran som har tillräckligt stora porer för att släppa igenom den små blå partiklarna.

Koncentrationen av lösta partiklar är högre på den vänstra sidan om membranet. Det är troligast att fler av de lösta partiklarna kommer att röra sig från den vänstra sidan av det semipermeabla membranet till den högra än tvärtom. Anledningen är att det finns fler partiklar som kan röra sig åt höger. Det leder till att koncentrationerna utjämnas och så småningom blir lika på båda sidor om membranet.


Nettotransporten blir noll när koncentrationerna är lika

Nettotransporten vid blir noll när koncentrationerna är utjämnade.
Bild: © Svante Åberg

Eftersom molekylrörelserna fortsätter kommer några av molekylerna att röra sig tillbaka till den vänstra sidan om membranet samtidigt som några andra molekyler rör sig till den andra sidan.

Men transporten är lika snabb åt båda håll eftersom koncentrationerna blivit lika på båda sidor. Därför sker ingen nettotransport sedan jämvikt ställt in sig. Man använder benämningen dynamisk jämvikt (dynamiskt eqilibrium) när en jämvikt ställt in sig trots att reaktioner fortfarande sker. Koncentrationerna av partiklar är stabila.

Rent teoretiskt är det inte omöjligt att alla lösta partiklar, av en slump, vid något kort tillfälle skulle befinna sig på den ena sidan om membranet. Detta är dock synnerligen osannolikt.


Koncentrationsgradienten bestämmer diffusionshastigheten

Ju brantare lutningen hos koncentrationskurvan är, desto snabbare sker diffusionen genom membranet.
Bild: Svante Åberg

Diffusionshastigheten är proportionell mot storleken av koncentrationsgradienten. Därför är koncentrationsgradienten av betydelse.

Med koncentrationsgradient menas hur mycket koncentrationen förändras per längdenhet i en bestämd riktning.

Koncentrationsgradientens storlek inuti membranet är differensen i koncentrationen på ömse sidor av membranet dividerat med membranets tjocklek. Du tunnare membranet är, desto större blir koncentrationsgradienten.

Om membranet dessutom är tunnare, så blir sträckan att vandra kortare. Därför ökar diffusionen genom ett membran mycket snabbt när membranet görs tunnare.

När de lösta partiklarna är för stora får vi osmos

Det semipermeabla membranet släpper igenom de små molekylerna (ex. vatten), men hindrar de stora (ex. socker).
Bild: Svante Åberg

I de fall då difussion sker genom någon form av barriär, som inte släpper igenom alla typer av ämnen, talar man om osmos.

Effekten av att det finns lösta partiklar som inte kan passera genom membranet är att förändra koncentrationen av de partiklar som faktiskt kan passera. Man kan säga att det lösta ämnet späder ut lösningsmedlet.

Det leder till en koncentrationsgradient över membranet där det rena lösningsmedlet utan löst ämne har högre koncentration. Då sker diffusion av lösningsmedel från sidan utan löst ämne till den sida där det finns löst ämne.

Det räcker att det finns en koncentrationsskillnad mellan sidorna för att få en koncentrationsgradient. Det behöver alltså inte vara rent lösningsmedel på ena sidan.

Resultatet av osmosen är att koncentrationerna utjämnas.

Osmos är särskilt intressant när det gäller levande organismer då våra cellmembran är genomsläppliga för vissa typer av molekyler men inte för andra. Detta skyddar till viss del cellerna från att invaderas av oönskade ämnen.

Osmos

En transport av små partiklar genom en halvgenomtränglig hinna (semipermeabelt membran) kallas osmos. Osmos äger rum då två lösningar med olika koncentration finns på var sin sida om den tunna hinnan.


Osmos är när lösningsmedlet diffunderar genom ett semipermeabelt membran som inte släpper igenom det lösta ämnen.
"Osmosis" av OpenStax" (CC BY 3.0)

Det som skiljer osmos från allmän diffusion av partiklar genom ett membran är att membranet siktar partiklarna efter storlek. Membranet har porer som släpper igenom enbart de små partiklarna. I allmänhet är det lösningsmedlets molekyler som passerar. Däremot kan det lösta ämnet kan inte passera membranet.

Partiklar sprids genom diffusion. Diffusion är slumpmässiga rörelser hos atomer, molekyler eller joner, som leder till att lösningar tenderar att blandas. Partiklar som är alldeles intill membranet kan ibland träffa på en por så att de passerar över till andra sidan.

Den mer koncentrerade lösningen kommer alltid att dra lösningsmedel från den utspädda. Blandningsprocessen fortsätter så länge som det finns en koncentrationsskillnad mellan de två lösningarna eller att det bildas ett mottryck som förhindrar transporten genom membranet.

Förklaring av osmosen

Figur a: I bägarens nedre vänstra hörn finns en koncentrerad vattenlösning av sackaros, C12H22O11. I resten av bägaren finns rent vatten. Sockermolekyler kommer att diffundera i koncentrationsgradientens riktning, dvs. från nedre vänstra hörnet till resten av lösningen. Diffusionen gör att sockerkoncentrationen till slut kommer att vara lika hög i hela systemet.

Diffusion

Diffusion
a) Genom diffusionen utjämnas alla koncentrationsskillnader.

Vattenmolekyler = tomma cirklar
Sockermolekyler = fyllda cirklar

Permeabel membran (genomsläpplig)

Vatten och socker passerar membran
b) Genom att såväl socker- som vattenmolekylerna passerar genom membranen m blir koncentrationen av socker densamma i alla delar.
Semipermeabelt membran (halvgenomsläppligt)

Semipermeabelt membran
c) Endast vattenmolekylerna kan passera genom den semipermeabla membranen Sm. Vätskevolymen ökar i A och lösningen stiger i röret h.
Osmotisk jämvikt i
semipermeabel membran


Osmotiskt tryck
d) När lika många vattenmolekyler passerar membranen i riktningen A till B som B till A är systemet i jämvikt.

Vätskepelarens höjd är ett mått på lösningens osmotiska tryck.

Bilder: Svante Åberg
Förklaring efter Börje Norén, Cellen, 1968, Almqvist & Wiksell, Uppsala på sidan 48

Figur b: Om man sätter en skiljevägg i bägaren av ett membran som släpper igenom både socker- och vattenmolekyler, så sker samma sak. Koncentrationen av socker kommer att jämnas ut till dess den är lika på båda sidor av membranet.

Figur c: Om skiljeväggen däremot är semipermeabel (halvgenomsläpplig), så släpper den bara igenom lösningsmedlet (vatten), men inte det lösta ämnet (sackaros). Vi får osmos.

Det blir en nettotransport av lösningsmedlet genom membranet, från höger sida till vänster. Som en följd av osmosen kommer sockerlösningen A att spädas ut. Samtidigt ökar dess volym.

Figur d: Men vattenupptagningen kan inte fortgå hur länge som helst. När sockerlösningens volym ökar, kommer vätskan att stiga i röret, Δh (ett mått på det osmotiska trycket). Genom att mäta nivåskillnaden mellan vätskeytorna och multiplicera med vätskans densitet och tyngdkraften, får man det osmotiska trycket.

Formeln blir: p = Δh·ρ·g


π = det osmotiska trycket Pa
ρ = densiteten hos lösningen i röret
g = jordens tyngdacceleration; 9,81 m s-2
Δ anger en differens

Tyngden av vätskekolonnen åstadkommer i sin tur ett hydrostatiskt tryck inne i A, som pressar vattenmolekyler i riktningen A mot B.

I systemet kommer därför vattenupptagningen i A att långsamt avta. När lika mycket vatten passerar från A till B som från B till A är systemet i jämvikt och någon ytterligare utspädning av sockerlösningen äger inte rum.

Hastigheten av vattendiffusionen genom en membran påverkas alltså inte bara av skillnader i vattenkoncentration, utan också av skillnader i hydrostatiskt tryck.

Man kan hindra all vattenupptagning genom att redan från början lägga ett hydrostatiskt tryck på A-sidan. Det lägsta tryck, som behövs för att förhindra all vattenupptagning i sockerlösningen A, kallas lösningens osmotiska tryck.

Omvänd osmos

Det går också att tvinga de mindre molekylerna att passera den semipermeabla membranen genom att öka trycket på ena sidan. De mindre molekylerna tvingas då över till den andra sidan med det lägre trycket. Denna påtvingande diffusion av små partiklar (lösningsmedel) åt "fel håll" genom membranet kallas omvänd osmos, men benämns också ultrafiltrering. Om man sätter sidan med lösta ämnet under högt tryck, så erhåller man en lösning som är mer koncentrerad än tidigare.

Några tillämpningar med osmos

Ibland utnyttjar man ultrafiltrering för att frigöra lösningsmedlet. Det är t ex möjligt att framställa färskvatten ur havsvatten med denna metod. Ultrafiltrering används också till att koncentrera proteinlösningar, avskilja gifter, (cancerogener och virus), tillverka sterilt sköljvatten för medicinsk bruk.

Dialys är också en form av osmos. De kolloidala partiklarna (makromolekylära ämnen = proteiner, stärkelse, nukleinsyror, blod och mjölkbildar kolloidala lösningar) är tillräckligt små för att passera genom ett vanligt filterpapper. De kan däremot, till skillnad från mindre molekyler och joner, inte diffundera genom en cellofanmembran eller vissa djurmembran.

Semipermeabla membran kan ha olika porstorlekar och vissa har så små porer att endast vattenmolekyler kan passera. Diffusionen genom semipermeabla membran utnyttjas praktiskt för att skilja kolloidala partiklar från vanliga små molekyler.

Proteiner kan inte passera semipermeabla membran och dialys används därför vid renframställning av proteiner. I regel används vid dialysen cellofanmembran.

Osmotiskt tryck

Att mäta det osmotiska trycket

Bild: Svante Åberg

Se figuren till höger. Lösningen i glasröret, innanför det semipermeabla membranet, har en högre koncentration av löst ämne än den i bägaren. Osmosen får vatten att vandra in i glasröret. I stigröret ger vätskepelarens tyngd ett tryck som ökar ju högre vattnet stiger. Det tryck som precis räcker för att stoppa nettoinflödet av vatten, och därmed stoppar den osmotiska processen, kallas för det osmotiska trycket.

Man kan mäta detta tryck med med hjälp av uppställningen i bilden. Trycket är lika med nivåskillnaden mellan vätskeytorna multiplicerat med vätskans densitet och tyngdkraften. Formlen blir alltså

π = h·ρ·g, där
π = det osmotiska trycket
h = höjden som vätskan stiger till
ρ = densiteten hos lösningen i röret
g = jordens tyngdacceleration = 9,81 m·s-2

Det osmotiska trycket kan också beräknas teoretiskt. Sambandet är

π = c·R·T, där
π = det osmotiska trycket
c = koncentrationen i mol dm-3
R = allmänna gaskonstanten = 8,314 J·K-1·mol-1
T = absoluta temperaturen i Kelvin

Osmotiskt tryck är en kolligativ egenskap

Kolligativa egenskaper är sådana som enbart beror på koncentrationen av partiklar, men inte på andra egenskaper såsom molekylvikt, smältpunkt, polaritet, osv.

Osmotiskt tryck är en kolligativ egenskap. Det betyder att samma koncentration av partiklar ger samma osmotiska tryck oberoende av vilket typ av ämne det handlar om. Det betyder till exempel att sockermolekyler och natriumkloridjoner ger samma osmotiska tryck och det är lika många partiklar.

Vi måste dock tänka på att när salter löses upp i joner, så ger varje formel flera joner. Exempelvis ger 0,10 mol dm-3 NaCl(aq) koncentrationen 0,20 mol dm-3 joner i lösningen:
NaCl(s) [1 formelenhet] → Na+ + Cl [2 joner]

För att ge samma osmotiska tryck krävs alltså koncentrationen 0,20 mol dm-3 sackaros.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Jämvikt

Jämvikt bygger på att en reaktion sker i framriktningen och tillbakariktningen samtidigt och att reaktionshastigheterna är lika stora. Det innebär att det totalt sett inte sker någon förändring, trots att reaktionerna hela tiden pågår. Man säger att jämvikten är dynamisk därför att det är en pågående process.

Med reaktionsformel så ser jämvikten mellan ämne A och ämne B ut på följande sätt:

A ⇄ B

En liknelse för att förklara jämvikten

Föreställ dig att en hink med vatten står under kranen som är öppen. Men det finns ett hål i hinkens botten där vatten rinner ut. De reaktioner vi tittar på är tillförsel av vatten till hinken (framriktningen) och bortförsel av vatten från hinken (tillbakariktningen).

Vatten utanför hinken motsvarar A i jämvikten ovan, och vatten inuti hinken motsvarar B. Vi kan då skriva jämvikten med ord på följande sätt:

vatten utanför hinken (A) ⇄ vatten inuti hinken (B)

Vi öppnar kranen

Innan vi öppnar kranen, så är hinken tom, men så snart vi öppnar kranen börjar hinken fyllas med vatten. I början är vattennivån låg och det rinner inte ut vatten genom hålet lika snabbt som vatten fylls på från kranen. Det innebär att vattennivån i hinken ökar. Jämvikten har inte ännu ställt in sig.


Vid det högre vattenflödet från kranen till hinken (höger bild), så stabiliseras vattenytan på en högre nivå.
Bild: Svante Åberg

Men ju högre vattennivån blir, desto snabbare rinner vatten ut genom hålet. Till slut rinner vatten ut lika snabbt som det fylls på.

Detta tillstånd får man vid en bestämd vattennivå i hinken som svarar mot ett visst tryck hos vattnet. Denna nivå är jämviktsnivån.

Trots att vi har pågående reaktion i framriktningen (A → B) och samtidigt i tillbakariktningen (A ← B), så är vattennivån stabil. Detta stabila tillstånd, trots pågående reaktioner, kallas dynamisk jämvikt.

Vi ändrar flödet

Om vi sedan skulle ändra kranen så att det tillförs vatten snabbare eller långsammare, så skulle vattennivån i hinken börja förändras igen. Så småningom skulle en ny jämvikt ställa in sig på en annan vattennivå.

Ett högt flöde från kranen ger en hög jämviktsnivå i hinken, ett lågt flöde ger en låg jämviktsnivå.

Exempel på jämvikter

Esterjämvikten

Man kan tillverka väldoftande luktämnen genom att låta alkohol och syra reagera med varandra så att ester och vatten bildas.

alkohol + syra → ester + vatten

Från början finns ingen ester och inget vatten, bara alkohol och syra. Reaktionen sker därför bara åt höger. Men när det väl har bildats en del ester och vatten, så börjar det ske en reaktion åt andra hållet så att alkohol och syra återbildas. Men tillbakareaktionen är långsam i början eftersom det finns så lite ester och vatten som kan reagera.

alkohol + syra ← ester + vatten (långsam i början)

Med tiden bildas det alltmera ester och vatten, vilket gör att tillbakareaktionen blir snabbare. Samtidigt minskar mängden alkohol och vatten, vilket gör att framåtreaktionen blir långsammare. Till slut är tillbakareaktionen lika snabb som framåtreaktionen. Då har dynamisk jämvikt ställt in sig.

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Löslighetsjämvikt

Salter är lösliga i vatten, men bara upp till en viss gräns. När saltlösningen blivit mättad, så är systemet i jämvikt. Exempel på ett salt är natriumklorid, det vill säga vanligt koksalt.

NaCl(s) ⇄ Na+ + Cl

En sak som är speciell i detta fall är att koncentrationen av salt i fast form är konstant, oberoende av hur mycket fast salt vi har. Det innebär att reaktionen i framriktningen alltid är lika snabb.

Däremot varierar koncentrationen av natriumjoner och kloridjoner. I början finns inga natrium- och kloridjoner i lösning. Då sker bara reaktionen i framriktningen.

Men ju mer natrium- och kloridjoner som går i lösning, desto snabbare blir tillbakareaktionen. Till slut faller koksalt ut lika snabbt som det går i lösning. Då har vi fått dynamisk jämvikt.

Jämviktsläget

Massverkans lag

Massverkans lag anger att när ämnen reagerar med varandra, så är reaktionshastigheten proportionell mot koncentrationen av de partiklar som reagerar. Det är en statistisk effekt som kommer av att en kemisk reaktion bara kommer till stånd om de reagerande partiklarna kolliderar. Om koncentrationen av partiklar är hög, så blir det många kollisioner per sekund. Då är det också fler partiklar som reagerar varje sekund – reaktionshastigheten blir hög.

I en jämvikt sker reaktion både i framriktningen (åt höger) och i tillbakariktningen (åt vänster). Jämviktsläget beror på reaktionshastigheten åt höger i jämförelse med den åt vänster. Jämvikt fås när hastigheten åt höger och åt vänster är lika. Det betyder att lika mycket bildas som det som förbrukas. Nettoförändringen blir noll.

Man har så kallad dynamisk jämvikt. Ordet dynamisk anger att reaktionerna hela tiden pågår. Men i och med att inga nettoförändringar sker, så har man jämvikt.

Sannolikheten för kemisk reaktion vid en kollision

Det är emellertid inte varje kollision som leder till kemisk reaktion. Kemisk reaktion innebär att bindningar bryts i den gamla partikeln och nya skapas som ger ett nytt ämne. Men oftast studsar partiklarna bort från varandra utan att reagera. Om partiklarna inte är rätt orienterade i förhållande till varandra vid kollisionen, så sker ingen kemisk reaktion.

Aktiveringsenergin måste övervinnas för att reaktion ska ske

Inte heller sker någon reaktion om kollisionsenergin är för liten. Rörelseenergin i kollisionen måste övervinna den energitröskel det innebär att bryta de gamla bindningarna. Inte förrän dessa är brutna kan nya bildas. Denna energitröskel benämns aktiveringsenergi.

När energinivåerna skiljer, så påverkar det jämviktsläget

Om ämnena på ena sidan i reaktionsformeln är energirikare än ämnena på andra sidan, så är energitröskeln olika stor för reaktionen åt höger respektive åt vänster. (Figur som visar ett sådant exempel ska infogas här.)

När framåt- och bakåtreaktionen sker olika lätt, så påverkar det jämviktsläget. Om till exempel framåtreaktionen är kraftigt exoterm, så är energitröskeln i framriktningen låg och en stor andel av kollisionerna leder till reaktion. Men då blir samtidigt energitröskeln för reaktion i bakåtriktningen hög. Det krävs en hög koncentration av partiklar i högerledet av jämviktsreaktionen för att reaktionshastigheten åt vänster ska bli lika hög som den åt höger. En starkt exoterm jämvikt brukar därför vara starkt förskjuten åt höger.

Jämviktskonstanten är ett mått på jämviktsläget

För att få ett mått på jämviktslägen behöver man få en siffra på hur den aktuella kemiska reaktionen ställer in sig. Värdet hos jämviktskonstanten K återspeglar jämviktsläget. Ju större konstanten är, desto mer förskjuten åt höger är jämvikten. Exempel på en jämvikt som är väldigt starkt förskjuten åt höger är reaktionen mellan vätgas och syrgas då vatten bildas:

2 H2 + O2 ⇄ 2 H2O, K = 3,2·1081 M–1

En jämviktskonstant som är nära noll tyder på en jämvikts som är starkt förskjuten åt vänster. Exempel på en jämvikt som är starkt förskjuten åt vänster är vattnets autoprotolys:

2 H2O ⇄ H+ + OH, K = 1,0·10–14 M2 (lösningsmedlet vatten enhetslöst)

Exempel på en jämvikt som inte är så starkt förskjuten åt någotdera hållet är esterjämvikten:

alkohol + syra ⇄ ester + vatten, K ≈ 4

Kapillärkraft

Adhesion och kohesion

adhesion = attraktionskrafter mellan två material
kohesion = attraktionskrafter inom ett material

Attraktionskrafter mellan vätskans molekyler och kärlets väggar får vätskan att klättra uppför väggen. Attraktionskrafter mellan vätskans molekyler gör att vätskan håller ihop.
Bild: Svante Åberg

I en vattenfylld kapillär och även i ett vanligt dricksglas kan man se att vattenytan vid kanterna, nära glaset, är högre än mitten av röret/glaset. Det beror på att vattenmolekyler dras till molekylerna i glaset med elektrostatisk attraktion. Ytan av fasta material innehåller polära grupper som saknar partner att binda till. De vill gärna binda till en lämplig molekyl i närheten, t.ex. vatten. Attraktionen i gränsskiktet mellan två material kallas adhesion.

De sammanhållande krafterna inom ett material/ämne, t.ex. vatten, benämns kohesion. Eftersom kohesionskrafterna i vattnet är starka så håller vätskepelaren ihop när adhesionen drar vätskan uppför glasets kant.


I en smal kapillär stiger vätskan högre därför att vätskepelarens tyngd är mindre i förhållande till den kontaktyta som ger adhesion.
Bild: Svante Åberg

I en smal kapillär stiger vattnet högre

Om röret är väldigt smalt kan vattnet stiga högt eftersom vätskepelaren inte är lika tung. Adhesionkraften får vätskan att stiga till dess pelarens tyngd och adhesionskrafterna precis balanserar varandra. Ju större diametern är hos röret/glaset, desto mindre blir adhesionskraften i förhållande till gravitationskraften och ju kortare sträcka kan vattnet därmed stiga.

Praktiska exempel på kapillärkrafter

När du torkar diskbänken med en bit hushållspapper (eller duk), så sugs vattnet upp av papperet med kapillärkraft. Papperet är av cellulosa som innehåller många polära OH-grupper. Papperet är dessutom poröst. Kombinationen av porer och adhesion ger den uppsugande effekten.

Växterna transporterar vatten från rötterna upp genom stammen. Det sker med kapillärkraft genom de fina kanalerna i växterna. Dessa kanaler är också polära på insidan så att de attraherar vattenmolekylerna och ger en effektiv adhesion. Dessutom kan osmos i rotsystemet hjälpa till att öka vattentrycket i växten, vilket hjälper till ytterligare i vattentransporten upp genom växten.

Jord suger lätt åt sig vatten. Jorden är porös. Jordpartiklarna är mineraler, dvs. salter, som innehåller joner. Jonerna gör jorden polär, vilket ger adhesion till vattenmolekylerna som därför sugs in i de små porerna med kapillärkraft.

Ytspänningen avgör hur högt vattnet stiger - eller sjunker

Vanligast är att man har vattenlösningar. Vatten är ett starkt polärt ämne som lätt bildar vätebindningar. Glas har också polära grupper på sin yta. Därför finns en stark adhesion mellan vattnet och glaset. Det innebär att glas väts av vatten. Det medför att vattnet stiger högt i kapillären.

Glas kan behandlas så att det blir opolärt. Det är vanligt att glasögon behandlas på detta sätt. Om en glaskapillär är ytbehandlad invändigt för att bli opolär, så blir kapilläreffekten den omvända. Adhesionen mellan den behandlade glasytan och vattnet upphör nästa helt. När kapillären stoppas ned i vattnet sjunker i stället vattenytan i kapillären, och vattenytan blir lägre ju tunnare kapillären är.

Adhesionen mellan kvicksilver och glas är också försumbar, även om glasytan är polär. Det innebär att när en kapillär stoppas ned i kvicksilver, så sjunker kvicksilvret inne i kapillären - mer ju tunnare kapillären är.

Gore-Tex är ett textilt material som tillverkas genom att Teflon (polytetrafluoroetylen, PTFE) valsas och sträcks. Vid processen blir det till en membran som innehåller ett stort antal små porer. Teflon är extremt opolärt och därför hydrofobt (vattenskyende). Ytspänningen på teflon är väldigt låg. Vatten kan inte väta materialet. Därför kan vattendroppar som regnar på materialet tränga igenom hålen. Den omvända kapillärkraften hindrar vattendropparna att tränga genom porerna. Däremot är vattenmolekyer i gasform så små att de utan hinder passerar porerna. Därför kan vattenånga som avdunstar från huden passera ut genom plagget som innehåller Goretex, men regnvatten kan inte tränga in.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

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

Litteratur

  1. Main Page, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page (2006-06-22)
    1. Diffusion
      http://en.wikipedia.org/wiki/Diffusion (2006-06-22)
    2. Fick's law of diffusion
      http://en.wikipedia.org/wiki/Fick's_law_of_diffusion (2006-06-22)
    3. Osmosis
      http://en.wikipedia.org/wiki/Osmosis (2006-06-22)
    4. Osmotic pressure
      http://en.wikipedia.org/wiki/Osmotic_pressure (2006-06-23)
    5. Meniscus
      http://en.wikipedia.org/wiki/Meniscus (2006-06-23)
    6. Adhesion
      http://en.wikipedia.org/wiki/Adhesion (2006-06-23)
    7. Cohesion (chemistry)
      http://en.wikipedia.org/wiki/Cohesion_%28chemistry%29 (2006-06-23)
    8. Capillary action
      http://en.wikipedia.org/wiki/Capillary_action (2006-06-23)
    9. Intermolecular force
      http://en.wikipedia.org/wiki/Intermolecular_force (2006-06-23)
    10. Potato
      http://en.wikipedia.org/wiki/Potato (2006-06-23)
    11. Cell wall
      http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_wall (2006-06-23)
    12. Plasmolysis
      http://en.wikipedia.org/wiki/Plasmolysis (2006-06-23)
    13. Crenation
      http://en.wikipedia.org/wiki/Crenation (2006-06-23)
    14. Passive transport
      http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_transport (2006-08-30)
    15. Active transport
      http://en.wikipedia.org/wiki/Active_transport (2006-08-30)
  2. Why is diffusion an important process in biofilms?, Wikipedia
    http://www.erc.montana.edu/biofilmbook/MODULE_04/Mod04_S01_Blue.htm (2006-06-22)
  3. How do non woody plants stay upright?, Anne Bruce
    http://www.microscopy-uk.org.uk/mag/artoct99/plantupright.html (2006-06-23)
  4. Capillary action, HyperPhysics
    http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbase/surten2.html#c4 (2006-06-23)

Fler experiment


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

jämvikt
Anden i flaskan
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Avdunstning och temperatur
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Brus-raketen
Den 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?
Hur smakar salmiak?
Innehåller koksaltet jod?
Kemi i en brustablett
Kemi i en plastpåse
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Luftfuktighet och rostbildning
Löslighet och pH - En extraktion
Maskrosen som krullar sig
Massverkans lag och trijodidjämvikten
Molnet i flaskan
När flyter potatisen?
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

livsmedel
Bjud din jäst på mat
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
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
Bjud din jäst på mat
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den bästa bulldegen
Den tunga koldioxiden
Diffusion av kopparjoner
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Eld - varför brinner det?
Elda stålull
En märklig planta
Gelégodis i vatten
Gör hårt vatten mjukt
Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi
Hur gör man kakan porös?
Indikatorpärlor
Kemi i en brustablett
Kemi i en plastpåse
Koka vatten i en spruta
Ljuset under glaset
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
När flyter potatisen?
Osmos i ett ägg
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