Molnet i flaskan

Tillhör kategori: aggregationsformer, fysikalisk kemi, jämvikt

Författare: Anna-Sofia Preece

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

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Moln och dimma skapas framför allt när fuktig kondenserar på mycket små partiklar i atmosfären. Genom att skaka vatten i en igenkorkad PET-flaska skapas en liten mini-atmosfär med hög luftfuktighet. Tillsätts rök (dvs massor av mycket små partiklar) kan molndimma skapas och lösas upp allt eftersom "lufttrycket" förändras när man trycker på flaskan. Bli en vädergud i din egen atmosfärmodell!

Riktlinjer

Försöket lämpar sig främst som elevförsök i små grupper, eftersom man bör stå ganska nära flaskan för att se vad som sker. Det är därför inte lämpligt att ha som demonstration inför en stor grupp.

Säkerhet

Inga hälsofarliga kemikalier ingår. Däremot måste man iaktta brandrisken när man använder tändstickor.

Vattnet kan hällas i avloppet.

Materiel

Förarbete

Möjligtvis kan man se till att ta bort flaskornas etiketter, så att man ser så bra som möjligt.

Utförande

Utförande

Håll flaskan ihopklämd en stund och lätta sedan på trycket.
Bild: © Svante Åberg
  1. Fyll flaskan med lite kallt/rumstempererat vatten (1-2 cm djupt).
  2. Skruva på korken och skaka ordentligt.
  3. Studera luften i flaskan. Ta sedan och tryck ihop den ordentligt med händerna. Sker någon förändring?
  4. Lossa på korken, men öppna den så lite som möjligt så att den fuktiga luften stannar i flaskan.
  5. Tag tre tändstickor och tänd dem samtidigt, låt dem brinna en liten stund och för sedan ner dem i flaskan. OBS! Släpp dem inte direkt, utan låt dem slockna i flaskmynningen så att så mycket rök som möjligt samlas i flaskan.
  6. Skruva snabbt på korken igen.
  7. Studera röken i flaskan, notera vad som händer.
  8. Pröva återigen att trycka hårt på flaskan (håll den intryckt en stund). Vad händer?
  9. Notera sedan vad som händer när man släpper trycket på flaskan.
  10. Pröva att trycka och släppa fritt, när skapas molndimman? När försvinner den?

Variation

Man kan få något tydligare moln om man använder varmt vatten, men då får man kondensation på flaskans väggar vilket försvårar observationer. Men varför inte låta några elever använda varmt vatten och andra kallt?

Vill man tydligt påvisa temperaturhöjningen som sker i flaskan när trycket stiger kan man använda termometerremsor (finns i t.ex. akvariebutiker). För att få tydligt temperaturomslag bör termometern vara inne i en torr flaska och inte röra flaskans väggar (värmen från händerna påverkar flaskväggens temperatur). Man kan t.ex. fästa termometern på styvt papper och hänga den från insidan av korken ner i flaskan. Men man måste ofta trycka hårt många gånger för att få ett mätbart resultat.

Förklaring

Rökpartiklarna hjälper till att bilda molnet genom att vattenånga kan kondensera på dem. Kondensationen sker när man lättar på trycket och temperaturen sjunker en aning.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Detta sker i experimentet

Kondens på utsidan av ett glas kallt vatten.
Foto: © Anna-Sofia Preece

Steg 1: låt flaskan avge värme

När vatten skakas i flaskan får luften inuti en hög luftfuktighet. När man ökar trycket i flaskan genom att trycka på den blir det lite varmare eftersom luften trycks ihop. Om man väntar med att släppa på trycket och håller flaskan ihoptryckt en stund, så avges värme till omgivningen och temperaturen närmar sig lufttemperaturen.

Steg 2: kyl flaskan genom att släppa på trycket

När man sen släpper kyls luften ner lite grand, och detta räcker för att vattnet ska bilda vattendroppar (kondensera). Det är samma princip som när utsidan av ett glas med iskallt vatten blir fuktig om det står i rumstemperatur. Vattnet i luften kyls ner och vattendroppar bildas på flaskan.

Kondensationskärnor nödvändiga

Men det räcker inte att bara kyla luften, vattnet behöver något att kondensera på, t.ex. en flaska. Moln/dimma bildas bara när det finns små, små partiklar närvarande i luften som vattnet kan "fastna" på. Det är anledningen till att det inte blir någon dimma i flaskan innan man tillsatt partiklar i form av rök. Detsamma gäller i atmosfären. Dimma vid havet kan bildas pga att kondensation sker på mycket små saltpartiklar som vågorna spritt i luften. Vi vet att den ökade mängden föroreningar i form av t.ex. rök och avgaser ökar molnbildningen över jorden.

Vad är kondensation?

Kondensation är processen som sker när en gas övergår till flytande form. Detta kan ske på tre sätt:

  1. När en gas kyls och då övergår till flytande form
  2. När en gas utsätts för ett så högt tryck att den övergår till flytande form
  3. När gasen är så mättad att droppar bildas

Motsatsen till kondensation är kokning och då övergår en vätska till gasform. Detta sker när temperaturen höjs till kokpunkten eller när trycket sänks tillräckligt mycket. Temperaturen för kondensation respektive kokning för ett visst ämne är alltså densamma vid ett visst givet tryck.

Kondensation är en exoterm process vilket betyder att energi frigörs i form av värme. När ett ämne däremot kokar krävs att energi tillförs, den processen är endoterm.

Molnbildning

Vattenånga i luften kondenserar naturligt på kalla ytor. Ett exempel på detta är dagg och frost. Kondensationen sker om vattenångan har en högre temperatur än ytan, eller om luftfuktigheten är så hög att luften blivit övermättad med vattenånga. Det senare sker t.ex. i tropiska regnskogar.

Moln uppstår när fuktig luft kyls. Detta sker främst när varm- och kallfronter möts, när luft blåser uppför ett berg eller när varm luft passerar över ett kallare område. Vattenångan kondenserar och bildar droppar som vanligen är runt 0,01 mm i diameter. De flesta droppar bildas när vattenånga kondenserar på en liten partikel, t.ex. damm, sot, stoft eller salt. Den vita färgen får moln eftersom vattendropparna reflekterar alla ljusets våglängder. Men tätare moln absorberar ljuset och ser mörkare ut. Vattendroppar som blivit tillräckligt tunga faller ner som regn.

Luftfuktighet

Lufttrycket påverkar hur mycket vattenånga som kan finnas löst i luften. Det betyder att det faktiskt finns större andel vatten i luften på en högt belägen plats jämfört med en plats i höjd med havet, trots att luftfuktigheten anges som 100% på båda platserna om temperaturen är densamma. Därför kan luftfuktighet anges på två olika sätt:

Absolut fuktighet - vattnets massa per volymenhet luft (g vatten/ kg luft).

Relativ luftfuktighet - fuktmängden anges procentuellt utifrån den fuktmängd som luften maximalt kan hålla vid den aktuella temperaturen.

Partiklar i atmosfären ger en kylande effekt

Sedan industrialismens början har människan betydligt ökat antalet små partiklar i atmosfären. Förbränning från t.ex. industrier och transportsektorn ökar mängden sot och stoft. På dessa partiklar kan vatten kondensera och molndroppar bildas. Efter 11 septemberattacken när all flygtrafik avbröts kunde forskare notera att molnbildningen minskade, eftersom moln kan bildas på partiklar planens avgaser. Moln har förmåga att reflektera bort solljus från jorden vilket alltså kan sänka jordens temperatur. Våra föroreningar består av mycket små partiklar vilket leder till mycket små vattendroppar. Små droppar reflekterar mer ljus och ger upphov till vitare moln.

Forskning tyder på att den ökade mängden moln producerat av mänsklig aktivitet kan ha sänkt jordens medeltemperatur med så mycket som 1-2 grader. Men det kvarstår många frågetecken om detta och mer forskning och fler observationer behövs. Vissa typer av moln tar upp värme och bidrar till global uppvärmning. Olika typer av partiklar skapar olika typer av moln. Det beror också på var molnen bildas hur de påverkar klimatet. Dock tycks det troligt att ökad molnbildning borde påverka jordens klimat på något sätt.

Kondensatorer för kylning

Kondensationsprocessen utnyttjas i värmepumpar av olika slag. T.ex. skapas kylan i kylskåp och frysar med hjälp av en kondensor. Värme från utrymmet som ska kylas absorberas av ett kylmedium (t.ex. ammoniak eller freoner) som då förångas. Denna ånga har lågt tryck och med hjälp av en kompressor skapas ånga med betydligt högre tryck. I kondensorn tillåts denna ånga sedan avge sin värme och återgår till flytande form. Det är därför det blir varmt på baksidan av en kyl/frys. Vätskan förs tillbaka till utrymmet som ska kylas och så upprepas processen.

Fördjupning

Vatten

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Den kemiska formeln är alltså H2O. Vatten är det enda kemiska ämne som naturligt förekommer både i fast, flytande och gasform. Det är också ett av de absolut vanligaste ämnena på jorden.

Vattnets ovanliga egenskaper

Vatten har en ovanligt stor förmåga att lagra värme. Oceanerna spelar en viktig roll i jordens klimat genom att stabilisera temperaturerna. Vattenströmmarna i haven transporterar varmt vatten från ekvatorn mot polerna och kallt vatten från polerna tillbaka mot varmare områden. Dessa strömmar djupt ned i havet är som gigantiska osynliga floder som slingrar sig runt hela jordklotet. Strömmarna bidrar också till att transportera näring till områden där djur- och växtliv frodas i överflöd.

Vattnet är tyngst vid +4 °C.
Bild: © Svante Åberg

Vatten har den ovanliga egenskapen att när det fryser (stelnar), så får den fasta formen av ämnet lägre densitet än den flytande. Den lägre densiteten gör att is flyter ovanpå vatten. Tack vare det bottenfryser inte sjöar. I stället lägger sig isen som ett värmeisolerande täcke ovanpå sjöarna och fiskar, grodor och växter kan leva vidare i väntan på nästa vår. Snön som lägger sig ovanpå isen är extra värmeisolerande på grund av att den innehåller mycket luft. Snön är också fruset vatten, men snökristallerna gör att den inte packas så tätt.

Vatten är också ett ovanligt bra lösningsmedel. Det är ett polärt lösningsmedel, vilket innebär att det har förmågan att lösa ämnen som är mer eller mindre laddade. Det medför att vatten kan lösa salter ur jorden och berggrunden, men också att vatten kan lösa de många olika biologiska molekyler som finns i cellerna i djur och växter. Lösta ämnen kan diffundera, dvs. spridas ut i vätskan. Tack vare det kan olika molekyler träffa på varandra i cellvätskorna och reagera. Om molekylerna inte hade denna rörlighet skulle de biokemiska reaktionerna i kroppen stanna av och vi skulle varken kunna röra oss, tänka eller växa.

Vatten har ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen gör vattendroppar runda, gör så att skräddare kan gå på vattenytan. Ytspänningen ger också kapillärkraft som hjälper träden kan "dra" upp vatten via sina kärl flera 10-tals meter. Det är mycket mer än när man har en vanlig sugpump. Då är 10 m den maximala höjden man kan pumpa vatten (beroende på att atmosfärstrycket inte motsvarar en högre vattenpelare än så).

Vattnet är livsnödvändigt

Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena på jorden. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Vatten är en mycket stabilt ämne. Det vatten som finns på vår planet är därför till stora delar mycket gammalt, speciellt det som finns på stort djup i marken och bergen. Men trots att vatten är mycket stabilt så deltar det i de kemiska reaktioner som sker i samband med fotosyntes och respiration. Fotosyntes och respiration fungerar som ett kretslopp i naturen. I fotosyntesen kopplas vatten samman med koldioxid när sockerarter och andra organiska ämnen byggs upp. Stärkelse är exempel på en sockerart som växterna bildar för att lagra energi. Cellulosa och lignin som finns i veden är ett annat exempel.

När djur och människor äter växter förbränns maten och sönderdelas till vatten och koldioxid igen. Kretsloppet i naturen är ett nollsummespel där mängden vatten i stort sett inte ändras. Vattnet som binds i växter och djur kommer snart tillbaka ut i naturen igen och bildar moln, regn och vattendrag.

Eftersom vi är så beroende av vatten för att dricka och laga mat, tvätta oss, för bevattning av odlingsmark, i olika industriella processer med mera, så är vattenkvalitén viktig. Vanligen duger bara sötvatten. Men av allt vatten på jorden är bara en mycket liten del sötvatten. Och av sötvattnet är det mesta bundet i glaciärer. Visserligen har vi gott om rent sötvatten i vårt land, men i många länder är rent vatten en bristvara. Det är därför väldigt viktigt att vi inte förorenar det rena sötvatten som finns, utan är rädd om det och använder det på ett förståndigt sätt.

Vattnet blev referens för temperaturskalan

Vattnets fryspunkt är 0 °C och kokpunkten 100 °C vid normalt lufftryck. Det är ju praktiskt och enkelt med så jämna siffror. Det blev så därför att man valde vatten som referens när temperaturskalan skulle definieras på förslag av Anders Celsius åt 1742. I själva verket satte Anders Celsuis 0 °C vid kokpunkten och 100 °C vid fryspunkten, men senare insåg man att det var mer logiskt att ha det högre värdet när det var varmare. På förslag av Carl von Linné vände man på skalan efter Celsius död, så han Anders Celsius fick själv inte veta att det hade hänt.

När man sedan insåg att det finns en absolut nollpunkt på temperaturskalan definierade man Kelvin-skalan. Avståndet mellan värdena i Kelvin-skalan är exakt lika stort som i Celsius-skalan, men de har olika nollpunkter:
0 K = -273.15 °C och 0 °C = + 273.15 K

Vätebindningar karaktäriserar vattenmolekylen

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

Vattnets polaritet är mycket hög. Polariteten beror på vätebindningar. Vätebindningen är en extra stark dipolbindning som håller samman de olika laddade ändarna hos två vattenmolekyler. Vattenmolekylens syre är lite minusladdad på grund av att syret drar till sig elektronerna i molekylen effektivt. De två vätena är lite plusladdade eftersom de inte drar till sig elektronerna lika bra och den positiva laddningen väteatomens kärna då överväger. Men som helhet är vattenmolekylen oladdad.

Vätebindningarna ger hög ytspänning

Tack vare vätebindningen attraherar vattenmolekylerna varandra extra mycket. Vätebindningarna får vattenmolekylerna att hålla samman i långa kedjor och nätverk, men det är bindningar som hela tiden bryts och återbildas. Styrkan i vätebindningen gör att både smältpunkten och kokpunkten är betydligt högre än man annars skulle förvänta sig.

Vätebindningen gör också att vatten har en ovanligt hög ytspänning. Ytspänningen är ett mått på den sammanhållande energin i vätskeytan.

Vinklad molekyl ger hexagonal struktur

I flytande vatten (vänster) är strukturen oordnad. I fast is (höger) är strukturen ordnad hexagonal och tar då större plats.
Bild: © Svante Åberg

Vätebindningen och det faktum att vattenmolekylen är vinklad gör att vatten i kristallform, dvs. is, har en hexagonal (sexkantig) struktur med tomrum inuti sexhörningarna. Dessa tomrum gör att isen har lägre densitet än flytande vatten.

Det normala är att densiteten hos en vätska ökar när temperaturen sjunker. Det beror på att molekylrörelserna blir mindre häftiga och molekylerna därför inte knuffar bort varandra lika mycket. Även vatten ökar sin densitet när temperaturen sjunker, men bara ned till +4 °C. Blir det ännu kallare minskar densiteten igen. Det beror på att den hexagonala strukturen som vätebindningarna och den vinklade vattenmolekylen orsakar börjar bildas så smått redan innan vattnet fryser till is.

Vattnets syra-basegenskaper

Vatten är ett amfotert ämne. Det betyder att vatten kan fungera både som syra och som bas. Vatten deltar därför i många syra-basreaktioner. Till exempel reagerar vatten med koldioxid och bildar kolsyra som sedan bildar vätekarbonat och karbonat. Det finns flera gaser som bildar syror tillsammans med vatten. Till exempel reagerar svaveltrioxid till svavelsyra och kvävedioxid reagerar med vatten till salpetersyra.

Surhetsgraden anges med pH. pH är definierat bara i en vattenlösning, så vatten är i praktiken universallösningsmedlet för syror och baser i kemiskt arbete.

Aggregationsform

Faserna och fasövergångarna

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

Fast form vid låg temperatur

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

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

Övergår till vätska (blir flytande) när temperaturen når smältpunkten

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

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

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


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

Sublimering


Fasdiagram för koldioxid.
Ben Finney Mark Jacobs: CC0

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

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

Superkritisk vätska

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

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

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

Plasma är en fjärde aggregationsform

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

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

Solen innehåller plasma

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

Andra exempel på plasma

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

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

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

Fasövergångar och bindningar

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

Starka bindningar ger höga smält- och kokpunkter

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

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

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

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

Svaga bindningar ger låga smält- och kokpunkter

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

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

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

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

Gas

Gaser har speciella egenskaper som skiljer dem från vätskor och fasta ämnen. I en gas är avståndet mellan partiklarna mycket större än i en vätska. Avståndet är så stort att det inte finns några intermolekylära krafter som håller ihop partiklarna. De rör sig med stor hastighet, oordnat och fritt från varandra.

Gastryck av molekylernas kollisioner

En molekyl är väldigt liten, men det finns väldigt många! Varje gång en molekyl stöter emot ytan, på en burk t ex, så ger den en liten rekyl som tenderar att stöta bort föremålet. Alla molekylernas stötar ger tillsammans ett tryck som är större än man normalt föreställer sig. Vid normalt lufttryck är kraften 1000 N per dm2. Det motsvarar tyngden av 100 kg på varje kvadratdecimeter eller tyngden av 10 ton på varje kvadratmeter!

Att inte burkar, människor, fotbollar med mera trycks ihop av de väldiga krafterna beror på att det finns ett mottryck inifrån som är lika stort.

I figuren nedan ser man att det är fler molekyler som kolliderar med väggen på vänster sida än på höger. Gastrycket är alltså högre på vänster sida om väggen.

Gastrycket orsakas av molekylernas många små stötar. Gastrycket till vänster om väggen är högre därför att det är fler kollisioner.
Bild: © Svante Åberg

Kollisionerna på ömse sidor om väggen är ungefär lika kraftiga, vilket betyder att partiklarna rör sig ungefär lika fort. Man kan alltså dra slutsatsen att temperaturen är densamma på båda sidor om väggen.

Temperatur, kärlets volym och substansmängden påverkar trycket

Partiklarna kolliderar med varandra och med det omgivande kärlet. Det utgör gasens tryck. Trycket hos en gas beror på flera saker:

Alltså, trycket är proportionellt mot absolut temperatur och substansmängd och omvänt proportionellt mot volymen. Detta kan sammanfattas i Allmänna gaslagen.

Allmänna gaslagen:
pV = nRT
p = tryck, Pa
V = volym, m3
n = substansmängd, mol
T = temperatur, Kelvin
R = proportionalitetskonstant = 8,3145 J K-1 mol-1

Molvolym

Gasmolekylernas sammanlagda volym är väldigt liten i förhållande till gasens totala volym. Detta gör att en viss substansmängd av i stort sett alla gaser har samma volym vid samma tryck och temperatur. Gaserna har samma molvolym, och vid standardtryck och standardtemperatur (STP: p = 1 atm = 101,325 kPa = 1,01325 bar, T = 25 °C = 298,15 K) är molvolymen 24,47 dm3/mol.

Gasens densitet

Enklast är att räkna på en mol av gasen. Till exempel väger en mol koldioxid (CO2) 12,0 g + 2·16.0 g = 44,0 g. Vid standardtemperatur och tryck (se ovan) är molvolymen 24,47 dm3. Då är densiteten 44,0 g/24,47 dm3 = 1.80 g/dm3.

Luft består till ungefär 20% av syrgas (O2) och 80% kvävgas (N2). En mol syrgas väger 2·16.0 g = 32.0 g. En mol kvävgas väger 2·14.0 g = 28.0 g. En mol luft innehåller 0,20 mol syre och 0,80 mol kväve. En mol luft väger då 0,20·32,0 g + 0,80·28,0 g = 28,8 g. Vikten genom molvolymen blir då 28,8 g/24,47 dm3 = 1.18 g/dm3.

Dessa två beräkningar visar att koldioxid är tyngre än luft. Därför sjunker koldioxid till marken när den släpps ut i luften.

En motsvarande beräkning av densiteten för vattenånga (H2O) ger densiteten 18,0 g/24,47 dm3 = 0,73 g/dm3. Man kan alltså se att vattenångan är mycket lättare än luften. Därför stiger vattenånga som avdunstar från marken och vattendragen uppåt i osynliga bubblor av ånga. När vattenångan kommit tillräckligt högt är temperaturen så låg att den kondenserar till vattendroppar och blir synlig i form av moln.

Gaspartiklarnas rörelseenergi

Gaspartiklarna rör sig slumpmässigt, men i genomsnitt har de en rörelseenergi som motsvarar temperaturen. Ju högre temperaturen är, desto snabbare rör sig partiklarna. Temperaturen är därför ett mått på gaspartiklarnas rörelseenergi.

När man har en blandning av gaspartiklar som väger olika mycket, så får olika tunga partiklar ändå samma genomsnittliga rörelseenergi. Det innebär att tunga gaspartiklar rör sig långsammare än lätta gaspartiklar, annars skulle inte rörelseenergierna vara lika.

Till exempel rör sig vätemolekyler (H2) med molekylmassan 2 u 3.74 gånger snabbare än kvävemolekyler (N2) med molekylmassan 28 u. Man skulle kunna tro att vätet skulle röra sig 14 gånger snabbare eftersom kvävet är 14 gånger tyngre, men rörelseenergin är proportionell mot kvadraten på hastigheten. Därför blir kvoten mellan hastigheterna √ 28/2 = √ 14 = 3.74.

Avdunstning

Avdunstning (förångning) innebär att molekylerna i en vätska sliter sig loss från vätskefasen och övergår till gasfas. Normalt talar man om avdunstning för temperaturer som ligger under kokpunkten, men kokning innebär bara att avdunstningen blir snabbare.

Avdunstningen innebär en fasövergång, att molekylerna övergår från att vara i vätskeform till att vara i gasform. Vätskan och gasen är olika faser av samma ämne. Med en fas menar man ett område där ämnet ser likadant ut, t.ex. att det är flytande eller fast.

Motsatsen till avdunstning är kondensation, dvs. när en gas övergår till vätska.

Vattnet blir kallare när det det avdunstar

Avdunstning
Bild: © Svante Åberg

Vatten i ett öppet kärl avdunstar. Avdunstningen är en process om kräver energi, faktiskt samma energi som när vattnet förångas genom kokning. Mellan vattenmolekylerna finns attraktionskrafter. När en molekyl ska lämna vattenytan måste den övervinna dessa attraktionskrafter, som vill dra den tillbaka. Det kräver energi.

Vattenmolekylerna har rörelseenergi. Ju varmare vattnet är, desto snabbare rör sig molekylerna. I vatten av en viss temperatur rör sig dock några molekyler snabbare och några långsammare. De snabbaste vattenmolekylerna är de som lättast lämnar vätskeytan och förvinner ut i luften. Kvar blir de långsammare, "kallare", molekylerna. Vattnets temperatur sjunker därför på grund av avdunstningen.

Andra vätskor beter sig på samma sätt som vatten. Skillnaden är hur starka bindningarna är mellan molekylerna i vätskefasen. Till exempel är bindningarna mellan etanolmolekyler svagare än bindningarna mellan vattenmolekyler. Det innebär att etanol avdunstar snabbare vid samma temperatur. Även om varje etanolmolekyl inte för bort lika stor energimängd från lösningen, så kan avdunstningen vara så snabb att avkylningseffekten ändå blir större än för vatten räknat per tidsenhet. Men avdunstningen kan inte pågå lika länge eftersom all etanol har avdunstat långt innan allt vatten har hunnit avdunsta.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Relativ luftfuktighet

Den relativa luftfuktigheten styr avdunstning och kondensation

Avdunstning från en vattenyta sker så länge som den relativa luftfuktigheten är lägre än 100 %, vilket innebär att ångtrycket ovanför vätskan är tillräckligt lågt för att de snabba molekylerna ska kunna lämna vätskan. Hur mycket vatten luften kan innehålla beror på temperaturen, ju varmare luft desto mer vatten kan den innehålla. Vattenmolekylerna i varm luft har högre hastighet och kan då studsa ifrån varandra vid kollisionerna istället för att som i kallare luft fastna i varandra och bilda vattendroppar. Luftfuktigheten är alltså maximal (100 %) då maximal mängd vattenånga för den aktuella lufttemperaturen är uppnådd, dvs. luften är mättad.

Meteorologerna brukar tala om den relativa luftfuktigheten, de jämför då den mängd vattenånga som luften innehåller med den maximala mängden som luften vid den aktuella temperaturen kan innehålla. En temperatur av ca 20 °C med en relativ luftfuktighet på 50 - 60 % upplevs av de flesta människor som behagligt. Om den relativa luftfuktigheten är för hög sker kondensation, det vill säga en övergång från vattenånga till flytande vatten, i stället för avdunstning och vi upplever luften som klibbig.

Att mäta relativ luftfuktighet

För att mäta den relativa luftfuktigheten använder meteorologer en anordning av två termometrar, en så kallad psykrometer. Den ena termometern har en fuktad gasbinda fäst runt kulan medan den andra är som vanligt. Då vatten avdunstar från termometern med gasbinda kommer den att visa en lägre temperatur än den torra termometern. Ju större temperaturskillnad som uppmäts mellan de båda termometrarna desto torrare luft är det.

Tabell 1: Luftfuktighet i procent
Temp. torra
termometern
Temperaturskillnad mellan termometrarna
0 °C1 °C2 °C3 °C4 °C5 °C6 °C7 °C8 °C9 °C10 °C
30 °C9791847872666055494440
25 °C9790837669625650443933
20 °C9789817365585144383225
15 °C9788797061534437292215

(Diagram och tabell är hämtade från P-G Andbert och G Mattson, 1994)

Exempel på effekter av den relativa luftfuktigheten

I tabellen ovan kan man avläsa att det vid en temperatur av 20 °C och med en temperaturskillnad på 5 °C är en relativ fuktighet på ca 58 %. Detta innebär att luften kan ta emot nästan dubbelt så mycket vattenånga innan moln eller dimma bildas. Vattendropparna i moln och dimma är mycket små, 0,001 - 0,1 mm, dessa växer till sig då luften stiger. Detta sker eftersom luften kyls ner och vattendropparna kan slå sig samman till större underkylda vattendroppar och kristaller. När sedan dessa blivit tillräckligt stora, cirka 0,5 - 3 mm, kan de falla ur molnet som nederbörd. Om atmosfären är kall med minusgrader även längst ner kommer nederbörden i form av snö och om det är varmt i det lägsta skiktet smälter snöflingorna och vi får regn. Även kall luft med minusgrader innehåller vattenånga, om än i liten mängd. Detta märks av om man vintertid ventilerar hus och verkstäder genom att släppa ut den fuktiga inomhusluften och ersätta den med frisk luft utifrån. Luften upplevs då som mycket torr och obehaglig.

mer material på avancerad nivå kommer

Vattenånga i jämvikt med vattenlösning

Avdunstning och kondensation sker samtidigt

Från en vattenyta avdunstar vattenmolekyler som gör luften fuktigare. Samtidigt kan vattenånga i luften kondensera och bilda vatten. Båda processerna sker hela tiden, men vi kan inte se det omedelbart. Men väntar man från en dag till en annan kan man se att ett fat med vatten torkar upp, vilket visar på att avdunstning har skett. Man kan också se att det bildas dagg på marken när luften är fuktig och sval, vilket är ett exempel på kondensation.

Motsatta processer leder till jämvikt

Processerna pågår hela tiden, men närmar sig ett jämviktstillstånd. Om temperaturen är hög, så är halten av vattenånga i luften högre vid jämvikt. Det är orsaken bakom att den värmande solen gör att marken torkar upp och det bildas stackmol på himlen framemot eftermiddagen. Molnen kommer från vattnet som har avdunstat.

När det är kallt så innehåller luften bara lite vattenånga vid jämvikt. Daggen bildas under natten eftersom det är då det blir kyligt. Det är också därför som luften är torrare inomhus vintertid. Inomhusluften kommer ju utifrån via ventilationen.

Avdunstning

När man har en vattenlösning avdunstar vattenmolekyler från ytan. Avdunstningen innebär att vattenmolekyler lyckas slita sig loss från sina grannar och flyga iväg upp i gasfasen ovanför vätskan. Det krävs energi för att slita sig loss. Den energin kommer från molekylernas temperaturrörelser. Bara de snabbaste molekylerna rör sig tillräckligt snabbt för att avdunsta.

Hur snabb avdunstningen är beror på två saker. Det handlar dels om koncentrationen av vattenmolekyler vid ytan, dels hur snabbt molekylerna rör sig.

Rent vatten har maximal koncentration. Det finns många vattenmolekyler per ytenhet, dvs. det är många vattenmolekyler som har en chans att lämna vätskan och avdunstningen blir därför relativt snabb. Om man har en vattenlösning, t.ex. av ett salt, så är en del av utrymmet upptaget av saltjonerna som dessutom binder till sig som ett skal av vattenmolekyler som inte är fria att röra sig. Det betyder att koncentrationen av fria vattenmolekyler i lösningen är lägre än i rent vatten. Det är då färre molekyler som har en chans att avdunsta, vilket gör att avdunstningen blir långsammare. I stort sett är avdunstningshastigheten proportionell mot andelen fria vattenmolekyler i lösningen. Om en lösning t.ex. bara innehåller 60 % så många fria vattenmolekyler per ytenhet som rent vatten, så kommer avdunstningshastigheten att vara ungefär 60 % av avdunstningen från rent vatten.

Det andra som påverkar avdunstningshastigheten är temperaturen. För att kunna avdunsta måste en vattenmolekyl röra sig tillräckligt snabbt. Temperaturen är en mått på hur snabbt molekylerna rör sig i genomsnitt. Temperaturrörelsen är kaotisk med krockar mellan molekylerna som ibland får en puff så att de rör sig snabbare, ibland bromsas upp. Det är bara en liten andel av molekylerna som rör sig så snabbt att de kan slita sig loss från sina grannar i vätskan och avdunsta ut i gasfasen. Men ju högre temperaturen är, desto större är andelen som faktiskt är tillräckligt snabba och har chansen att lämna vätskeytan. Därför är avdunstningen snabbare vid högre temperatur.

Kondensation

Kondensation är den motsatta reaktionen till avdunstning. När vattenmolekyler i luften träffar vätskeytan är sannolikheten stor att de fångas upp. Molekylerna som fångas upp övergår från gas- till vätskeform.

Hur snabbt vattenångan kondenserar beror på hur många vattenmolekyler det finns i gasen som kan kondensera. Om luften är helt torr, dvs. med 0 % relativ luftfuktighet, så finns det ingen vattenånga som kan kondensera. Vid 100 % relativ luftfuktighet är kondensationen maximal.

Jämvikten

Eftersom avdunstning och kondensation är motsatta processer, så beror det på vilken som är snabbare om det blir en nettoavdunstning eller nettokondensation. Om vi har nettoavdunstning så tillförs gasen mer vattenånga än den förlorar. Det betyder att halten av vattenångan ökar. Men när halten av vattenånga ökar så ökar också kondensationshastigheten. Det betyder att skillnaden i hastighet mellan avdunstning och kondensation minskar. Till slut är kondensation och avdunstning lika snabba. Då är nettoförändringen noll, det "händer ingenting".

Bild: © Svante Åberg
Avdunstningen är hela tiden lika snabb eftersom koncentrationen av vattnet i lösningen är konstant. I början när luften är helt torr sker ingen kondensation. När tiden går ökar vattenångan i luften och därför också kondensationen. Till slut kondenserar vattenånga lika snabbt som vatten avdunstar. Då har nettoavdunstningen sjunkit till noll.

Bild: © Svante Åberg
När lika många vattenmolekyler lämnar vattenytan genom avdunstning som de som fångas upp i vattenytan genom kondensation, så blir nettoresultatet ingen förändring, dvs. man har dynamisk jämvikt.

Jo, faktiskt pågår avdunstning och kondensation fortfarande med full fart, men det märks ingen förändring. Ett sådant tillstånd kallas dynamisk jämvikt. "Dynamisk" syftar på att reaktionerna pågår, "jämvikt" syftar på ett tillstånd där det inte sker någon nettoförändring. I detta exempel har jämvikt nåtts mellan processerna:

H2O(l)H2O(g)
H2O(l)H2O(g)

Att jämvikt föreligger utmärks ofta med dubbla pilar, alltså H2O(l) ⇌ H2O(g).

Ångtryck och kokpunkt

Ångtryck och yttre tryck lika vid kokpunkten
Bild: © Svante Åberg

I en bägare med vatten trycker luften på vätskeytan med 1 atmosfär, vilket är cirka 1000 N dm-2. Det motsvarar tyngden av 100 kg på 1 dm2. Å andra sidan bildas ett tryck i vätskan av den ånga som bildas när vatten avdunstar. Ångtrycket ökar snabbt med temperaturen. Vid 100 °C är ångtycket lika stort som atmosfärstrycket. Det är den temperatur då vattnet börjar koka. Det som händer är att ångtrycket av bubblorna i vätskan övervinner atmosfärens tryck. Då blir det möjligt för bubblorna att expandera (utvidgas).

Om lufttrycket ovanpå vätskan är lägre, så krävs inte lika hög temperatur för att ångtrycket ska övervinna lufttrycket. Därför kokar vatten vid lägre temperatur när trycket sänks. Det är vad som sker när man drar ut pistongen i sprutan. Trycket blir faktiskt så lågt i experimentet att vattnet kokar redan vid rumstemperatur.

Vattnets ångtryck som funktion av temperaturen
Bild: © Svante Åberg

I diagrammet till höger kan man avläsa ångtrycket för vatten vid olika temperaturer. Om man vill veta vid vilken temperatur vattnet kokar vid ett viss tryck, så går man från y-axeln till grafen och ned till x-axeln. T ex kan man för 0,5 atmosfärer avläsa att vattnet kokar vid 80 °C.

Andra vätskor uppför sig på liknande sätt som vatten, men ångtrycket kan vara genomgående högre eller lägre än för vatten. Ren etanol kokar (dvs uppnår en atmosfärs ångtryck) vid 78,5 °C, isopropanol vid 82,4 °C och aceton vid 56,2 °C.

Explosionsrisk med instängda vätskor

Om man stänger in vatten i en tät behållare, som man värmer, kan trycket stiga långt över 1 atmosfär. I diagrammet ser vi att det räcker med cirka 120 °C för att nå dubbla lufttrycket, och trycket fortsätter öka mycket snabbt med ökande temperatur. För eller senare brister behållaren som vattnet finns i och man får en explosion. Kraften i en sådan explosion är långt större än vad man normalt kan föreställa sig och kan vara rent livsfarlig. Dessutom är de expanderande gaserna skållheta och kan leda till svåra brännskador. Värm därför aldrig ett tätslutande kärl som innehåller vätska!

Varmvattenberedare är exempel på att man värmer vatten som är instängt. Temperaturen kontrolleras emellertid av en termostat så att temperaturen aldrig når kokpunkten. Man måste ställa höga krav på temperaturkontrollen. Det har hänt att varmvattenberedare exploderat med svåra följder.

Lufttrycket på Mount Everest

Lufttrycket på toppen av Mount Everest, som är 8853 m högt, är bara 33 % av trycket på havets nivå. Luften är så tunn att helikoptrar inte kan flyga. Flygplanet Boeing 747 (Jumbo Jet) brukar flyga bara något högre än Mount Everest, nämligen på 34 000 fots höjd, vilket är 10 363 m.

För bergsbestigarna är det svårt att få tillräckligt med syre eftersom varje andetag bara ger en tredjedel så mycket luft. Kroppens reaktion på lågt lufttryck är att producera fler röda blodkroppar för att öka syreupptagningsförmågan. Under OS 1968 i Mexico, som hölls på hög höjd, vanns 4 av 5 långdistanslopp av idrottsmän som levt på höga höjder.

Ett lustigt fenomen är att vatten kokar redan vid 70 °C på toppen av Mount Everest.

mer material på avancerad nivå kommer

Ångtryck över lösningar

Trycket kommer från gasmolekylernas kollisioner

Gasmolekyler rör sig snabbt och kolliderar ständigt med fasta ytor. Alla de små kollisionerna ger ett tryck på ytan. Det trycket kallar vi för gastryck, eller ångtryck.

Om det finns olika sorters gasmolekyler, några lättare och några tyngre, så påverkas trycket ändå inte av hur tunga molekylerna är. Det beror på att temperaturen jämnar ut sig för alla sorters molekyler så att de får samma rörelseenergi. De tyngre molekylerna rör sig långsammare än de lättare. Resultatet blir att ett antal molekyler av en sort ger samma tryck som lika många molekyler av en annan sort.

Vatten som avdunstar ger ångtryck

Om vi har vanlig luft så är innehållet cirka 20% syre och 80% kväve. Dessutom finns små mängder av vattenånga. Om det avdunstar mycket vatten så att luften blir fuktigare, så ökar andelen vattenånga. Vattenångan är också en gas, men molekylerna är vatten. På samma sätt som syre och kväve ger vattenångan ett ångtryck.

Men om det flytande vattnet inte är rent vatten, utan innehåller lösta ämnen, så avdunstar vattnet inte lika lätt. Det gör att ångtycket av vattenångan blir lägre över en vattenlösning innehållande t.ex. salt. Ju mer löst ämne i vattnet, desto lägre blir vattnets ångtryck.

Inverkan av det lösta ämnet i vattnet

Vi ska försöka reda ut hur ett löst ämne med hög kokpunkt (icke flyktigt) påverkar ett lösningsmedel: När vi löser ett ämne med hög kokpunkt i ett lösningsmedel, så kommer det lösta ämnet att minska antalet lösningsmedelmolekyler per volymenhet, dvs. koncentrationen av lösningsmedlet minskar genom utspädning. Antalet lösningsmedelsmolekyler på ytan minskar på motsvarande sätt. Färre molekyler har därför tillfälle att avdunsta från vätskeytan, och avdunstningen blir långsammare. I exempelvis en lösning med 50% av ett icke flyktigt löst ämne och 50% molekyler av lösningsmedlet så blir avdunstningen av lösningsmedel hälften så snabb. Om lösningen befinner sig i ett stängt kärl så kommer luften ovanför att så småningom mättas med ånga så att jämvikt uppstår. Ångtrycket vid jämvikt över den 50%-iga lösningen kommer då att vara hälften så stort som ångtrycket över rent lösningsmedel.

Bild: © Svante Åberg
Vid jämvikt är ångtrycket ungefär proportionellt mot koncentrationen av lösningsmedel i lösningen.

Raoults lag

Detaljerade studier om gastryck av lösningar där det finns ett löst ämne med hög kokpunkt, utfördes av Francois M. Raoult (1830- 1901). Hans resultat är sammanfattat som Raoults lag.

Plösning = Xlösningsmedel·Prent lösningsmedel

där
Plösning = ångtrycket vid jämvikt över den aktuella lösningen
Xlösningsmedel = andelen lösningsmedel i lösningen
Plösningsmedel = ångtrycket vid jämvikt över det rena lösningsmedlet

I en lösning där hälften är molekyler av det lösta ämnet och andra halvan molekyler av lösningsmedel, är Xlösningsmedel = 0,5 och man får Plösning = 0,5·Prent lösningsmedel.

Raoults lag förutsätter ideala lösningar där bindningskrafterna är lika starka oberoende av om det är mellan lösningsmedelsmolekyler, mellan lösta molekyler av det lösta ämnet eller mellan löst ämne och lösningsmedel. Detta är inte fallet i verkliga lösningar, varför lagen bara gäller approximativt.

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

Luft

Atmosfären

Luften är den atmosfär som omger jorden och som vi andas. Luftlagret kring jordklotet är tätast vid jordytan, men tunnas successivt ut innan det övergår i rymden. Man brukar säga att atmosfären är 100 km tjock, därefter är man ute i rymden. Men det finns spår av jordens atmosfär ända upp till 1000 km höjd. Det kan verka som att atmosfären är väldigt tjock, men i jämförelse med jordens storlek är luftlagret bara en tunn hinna.

Sammansättningen hos torr luft är:

kväve (N2)78,08 %
syre (O2)20,95 %
argon (Ar)0,93 %
koldioxid (CO2)0,04 %
diverse ädelgaser, väte, mm....

Vattenångan i luften

I tabellen finns inte vattenånga med. Andelen vattenånga är variabel och beror främst på temperaturen. På sommaren är halten vattenånga i atmosfären mycket högre än på vintern. Den totala mängden vatten i luften motsvarar i genomsnitt bara 25 mm regn om allt vatten i atmosfären på hela jorden skulle falla ned som regn samtidigt.

Den tidiga atmosfären

Luften har inte alltid haft den sammansättning den har nu. När jordklotet nyss hade svalnat, efter att solsystemet skapats, fanns inget syre. Atmosfären bestod mest av koldioxid. Efter livets uppkomst ändrades successivt förhållandena. När fotosyntetiserande organismer producerade syre som slaggprodukt, var det till en början så att syret bands till järn och bildade rost. Men när järnet tog slut blev det överskott av syre som hamnade i atmosfären. Nya organismer som andades syre utvecklades. Under en period var syrehalten i atmosfären över 30 %, men sedan minskade det igen till dagens 21 %. Syrehalten i atmosfären fortsätter faktiskt att minska, något som har pågått under 1 miljon år, men minskningen är mycket långsam.

Luftens kvalitet

Vi är helt beroende av atmosfären. Människor och djur måste andas luften för att få syre. Syret skulle kunna ta slut om inte växter producerade syre med hjälp av energin i solljuset. Växterna andas i stället in koldioxid som vi andas ut, så växter och djur är beroende av varandra.

Luftens kvalitet är också viktig. Till exempel kan överskott av växthusgaser rubba jordens temperatur så att klimatet ändras och kanske går över styr. Föroreningar sprids också lätt med vindarna och skapar problem. Sura gaser orsakade stora försurningsproblem för ett antal årtionden sedan, men lyckligtvis har man tagit itu med problemet så att situationen med försurning inte är lika kritisk nu.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Litteratur

  1. H. Pilström, E. Wahlström, B. Lüning, G. Viklund, Modell och verklighet A, sid. 10, 2000, Natur och Kultur.
  2. A. Henriksson, Kemi kurs A, sid. 46, 2000, Gleerups Utbildning.
  3. Main page, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page (2006-12-01)
    • Condensation
      http://en.wikipedia.org/wiki/Condensation (2007-08-20)
    • Dew point
      http://en.wikipedia.org/wiki/Dew_point (2007-08-20)
    • Boiling point
      http://en.wikipedia.org/wiki/Boiling_point (2007-08-20)
    • Cloud
      http://en.wikipedia.org/wiki/Cloud (2007-08-20)
    • Global dimming
      http://en.wikipedia.org/wiki/Global_dimming (2007-08-20)
    • Particulate
      http://en.wikipedia.org/wiki/Particulate (2007-08-20)
    • Earth's atmosphere
      http://en.wikipedia.org/wiki/Earth%27s_atmosphere (2006-12-01)
    • Oxygen
      http://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen (2006-12-01)
    • Nitrogen
      http://en.wikipedia.org/wiki/Nitrogen (2006-12-01)
    • Carbon dioxide
      http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide (2006-12-01)
    • Water vapor
      http://en.wikipedia.org/wiki/Water_vapor (2006-12-01)
  4. Huvudsida, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page (2007-08-20)
    • Värmepump
      http://sv.wikipedia.org/wiki/V%C3%A4rmepump (2007-08-20)
    • Luftfuktighet
      http://sv.wikipedia.org/wiki/Luftfuktighet (2007-08-20)
    • Moln
      http://sv.wikipedia.org/wiki/Moln (2007-08-20)
  5. Moln, lufttryck och temperatur, Skolvädernätet, Universeum
    http://weather.alk.edu.stockholm.se/svn2/elev/exp/moln.htm (2007-08-20)
  6. Cloud in a bottle, Weather Wiz Kids
    http://www.weatherwizkids.com/cloud1.htm (2007-08-20)
  7. Cloud in a bottle, Steve Spangler Science
    http://www.stevespanglerscience.com/experiment/00000030 (2007-08-20)
  8. Moln som värmare, och kylare, SMHI
    http://www.smhi.se/sgmain/lopsedel/moln2.htm (2007-08-20)
  9. Välkommen till växthusvärlden, Svenska naturskyddsföreningen nr 2007-2
    http://www.snf.se/sveriges-natur/artikel.cfm?CFID=10472495&CFTOKEN=85211386&id=1016 (2007-08-20)

Fler experiment


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

fysikalisk kemi
Avdunstning och temperatur
Bestäm CMC för diskmedel
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Blandningar av lösningsmedel
Blå himmel och röd solnedgång
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den 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
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
När 1 plus 1 inte är 2
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Osynlig gas
pH i kokt mineralvatten
Platta yoghurtburkar
Salta isen
Saltat islyft
Se genom papper
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Stärkelse och vatten - fast eller flytande?
Såpbubblor
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka en ytspänningsvåg
Trolleri med vätskor
Undersök en- och flervärda alkoholer
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenrening
Vattenvulkan
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Värmeutvidgning
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

jämvikt
Anden i flaskan
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Avdunstning och temperatur
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Brus-raketen
Den 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
När flyter potatisen?
Osmos i potatis
pH i kokt mineralvatten
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Reaktionshastighet med permanganat
Saltat islyft
Superabsorbenter i blöjor
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför äter vi Samarin?
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen