Syrehalten i luft

Tillhör kategori: aggregationsformer, elektrokemi, redox, gaser, kemiska metoder, urval reviderat experiment

Författare: Svante Åberg   Medverkande: Annika Jonsson

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: 2

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Hur mycket syre finns det i luften? Med lite stålull som rostar så kan du ta reda på det.

Riktlinjer

Experimentet genomförs lämpligen som elevförsök.

Säkerhet

Experimentet är ofarligt, men ättikan kan lukta illa eller svida lite.

Resterna från experimentet kan sköljas ur i vasken och överbliven stålull slängas i papperskorgen.

Materiel

Förarbete

Föra att spara tid för experimentet så kan du göra hål i pappskivan så pass stora att provrören går att tränga igenom. Man kan nöja sig med att göra hålen i form av kryss om det är svårt att få dem runda.

Utförande

Uppställning för att mäta syrehalten i luft
Foto: © Annika Jonsson
  1. Fukta en tuss stålull med ättika.
  2. Stoppa ned tussen längst ned i det ena provröret.
  3. Sätt provrören i hålen i kartongbiten.
  4. Fyll bägaren till hälften med vatten.
  5. Sätt kartongen med provrören på bägaren, men provrörsöppningarna nedåt. Se till att provrören når ned nästan till botten på bägaren.
  6. Observera var vattenytan i provrören ligger.
  7. Vänta till nästa dag.
  8. Observera var vattenytan befinner sig i provrören. Hur stor andel av luften var sygas?

Variation

I stället för att använda stålull kan man fukta provröret invändigt med ättika och hälla i lite järnpulver. Pulvret fastnar då på väggarna.

Förklaring

Luften i provröret tränger undan vattnet så att nivån är vid provrörets mynning. När stålullen rostar förbrukas syret i den innestängda luften. Vattnet stiger då lika mycket som det förbrukade syret. Nästa dag kan du avläsa vattennivån och se hur mycket syre som fanns i luften.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Diskussion kring experimentet

Stålullen (järnet) i provröret reagerar med syret i luften. Genom att mäta hur mycket vattennivån stiger får man ett bra värde på syrehalten i luften, ca 20 %. Man kan utgå från att reaktionen är i stort sett fullständig och att ingen temperaturförändring eller tryckförändring påverkar luftmängden i provröret. Alltså motsvarar vattnets stigning syrehalten.

Systematiska felkällor

Temperaturen och trycket är alltså utan praktisk betydelse i detta experiment eftersom det inte handlar om en exakt mätning. Men i princip kan temperatur och tryck påverka volymen på ett sätt som går att uppskatta via gaslagarna. Vi ska göra uppskattningar av detta.

Gay-Lussacs gaslag säger att volymen för en ideal gas är proportionell mot absoluta temperaturen, som mäts i Kelvin (K). Antag att temperaturen kan skilja maximalt 3 °C mellan mätningarna och att vi arbetar vid rumstemperatur kring 20 °C. Den absoluta nollpunkten för temperaturen är -273 °C, vilket motssvarar 0 K. Kelvinskalan och Celsiusskalan är likadan, förutom att nollpunkterna skiljer. Därför är 0 °C lika med 273 K. Det betyder att rumstemperatur är 273 K + 20 K = 293 K. En ändring på 3 K jämfört med 293 K är 3 K /293 K = 0,010 = 1,0 %. Om det t.ex. är 120 mm luftpelare i provröret och felet är 1,0 %, så motsvarar det 1,2 mm, vilket är så pass lite att det är svårt att avläsa med vår experimentuppställning.

Boyles gaslag säger att volymen för en ideal gas är omvänt proportionell mot trycket. När det skiljer på vattennivån inuti och utanför provröret, så blir det en liten tryckskillnad svarande mot nivåskillnaden. En 10 m vattenpelare motsvarar trycket 1 atmosfär, dvs. det tryck som ungefär råder utanför provröret i den fria luften. Om nivåskillnaden innanför och utanför provröret är 5 cm, så utgör det 5 cm/ 10 m = 5 cm/ 1000 cm = 0,0050 = 0,5 % av det vattenpelare som ger trycket 1 atm. Det skulle alltså påverka volymen luft i provröret 0,5 %. Om luftpelaren i provröret är 120 mm, så motsvarar 0,5 % av detta 0,6 mm, vilket är för lite för att vi ska kunna avläsa det.

Andra fel kan vara att kväve löser sig i vattnet. Men om det vatten vi använder är jämviktat mot luftens gaser redan från början, så bör det inte lösa sig mera kväve i vattnet.

Koldioxid är en gas som kan lösa sig i stora mängder i vatten. Lösligheten är starkt pH-beroende. Ju mer basiskt vattnet är, desto mer koldioxid kan lösa sig. Men naturliga halter koldioxid i luften är försvinnande små, så detta kan vi bortse från i detta experiment. Däremot kan man inte bortse från koldioxiden i det experiment som beskrivs nedan när man ställer ett glas över ett brinnande ljus.

Ett geometriskt fel är att provröret är runt i änden, så det är svår att veta hur långt provröret egentligen är. Om provrörets diameter är 12 mm och därmed radien cirka 6 mm för den runda änden, kan man i alla fall bedöma att felet i uppskattningen av provrörets längd är betydligt mindre än 6 mm.

Du kan själv försöka komma på fler systematiska fel som kan finnas i experimentdesignen.

Slumpartade felkällor

Det finns något som man ibland kallar "grova fel". Med det menar man t.ex. att man råkat anteckna eller mäta helt fel, räkna ut fel eller kanske glömma bort något.

Det finns också mätfel. Det är omöjligt att mäta exakt, så mätfelen går inte att undvika. Med bra experimentdesign, arbetsrutiner och noggrannhet, så kan mätfelen minimeras. Man kan upprepa samma mätning flera gånger och sedan föra statistik på värdena för att bedöma hur exakta de är. Att ta flera mätningar och använda medelvärdet brukar förbättra noggrannheten.

Ett liknande, men annorlunda experiment

Det finns ett annat försök beskrivet, Ljuset under glaset, där man sätter en bägare över ett brinnande värmeljus i en skål med vatten. Ljuset slocknar och vattnet stiger. Det stiger ungefär lika mycket som i ovanstående försök, men av andra orsaker. Där kan man inte dra slutsatsen att syrehalten är 20 %. Ljuset slocknar nämligen så fort syrehalten sjunkit till 15 % (alltså är inte allt syre förbrukat!). Sedan svalnar den instängda luften och skapar ett undertryck. Då stiger vattnet.

En komplikation med detta experiment är att samtidigt som det förbrukas syre, så bildas det koldioxid vid förbränningen.

Fördjupning

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

Syre

Syre i jordskorpan

Syret är det vanligaste grundämnet i jordskorpan. Där ingår det i en mängd olika mineraler, främst oxider, karbonater och silikater.

ämnehalt i jordskorpan
syre45,5 %
kisel27,2 %
aluminium 8,3 %
järn 6,2 %

Syre i atmosfären

I luften finns syre i form av O2-molekyler och i stratosfären (den övre delen av atmosfären 15-40 km) finns syre i form av ozon, O3. Ozonskiktet skyddar jorden från solens ultravioletta strålning.

Torr luft innehåller ca 21 % syre och 78 % kväve. Resten består av ädelgaser och koldioxid. Luftens vattenhalt kan variera mellan 0,01 och 4,0 volymprocent.

Syrehaltens inverkan

Syre underhåller brand

Om syrehalten i luften går under 16 % slocknar en brand av sig själv. Men normalt innehåller luften 21 % syre, vilket gör att ved och annat brinner lätt. Om syrehalten är högre, över 30 % som man tror den har varit en tidigare period i jordens historia, så kan bränder få nästan explosiva förlopp. Ett sätt att påvisa syre i skolan är att sänka ned en glödande sticka i en kolv med syrgas. Syret får elden att flamma upp.

Människokroppen är anpassad till 21 % syre

Vår kropp är väl anpassad till en syrehalt på 21 %. Om syrehalten sjunker ner mot 14 % får man en ökad andningstakt och ökad puls. Ner mot 10 % blir man snabbt utmattad och omdömet minskar kraftigt. Under 10 % är man orkeslös och kan inte gå eller stå. Under 6 % blir man medvetslös och hjärnan tar snabbt skada av syrebristen.

Men högre syrehalt än de normala 21 % som finns i luften är inte heller alltid bra. Att andas in ren syrgas fräter på lungorna eftersom syret är en mycket reaktiv gas. Men ännu värre är riskerna att syret skadar nervsystemet och det kan till och med leda till döden. Dykare som andas ren syrgas kan råka illa ut om tekniken inte fungerar som den ska. Det finns också många andra skador som höga syrehalter kan orsaka på kroppen.

Jordens atmosfärs historia

När jorden skapades för ca 4,6 miljarder år sedan fanns inget syre i atmosfären. Den bestod främst av koldioxid, vattenånga, kväve och svavelångor. De första primitiva organismerna i urhavet använde energi från järn och svavel. Så småningom utvecklades cyanobakterierna. De använde sig av solenergi för att omvandla koldioxid och vatten till energirikt druvsocker. Som restprodukt bildades syre. Processen kallas fotosyntesen.

Syre är ett mycket reaktivt ämne som gärna reagerar med andra ämnen. Detta gör syre giftigt för många organismer. Det syre som bildades av cyanobakterierna togs upp av fria metalljoner och det dröjde ca 2 miljarder år tills syrehalten började stiga i atmosfären. Då hade alla metalljoner, främst järn, som var lösta i haven bundits. Så har de flesta av våra järnmalmer bildats.

Att syre frigjordes till atmosfären var en förutsättning för att livet skulle "kliva upp på land". Syret i den övre delen av atmosfären bildade ozonskiktet som skyddar livet på land mot UV-strålning. Den syrehaltiga miljön på land gav bra förutsättningar för de organismer som anpassat sig till syret och kunde utnyttja det i sin energiomsättning.

Under karbon och perm, 360-250 miljoner år sedan, fortsatte syrehalten att stiga. Då dominerades jorden yta av enorma träskmarker med stora skogar av ormbunkar. Syrehalten fortsatte att stiga till 35 % och den höga syrehalten gynnade utvecklingen av jättelika insekter och dinosaurierna. En så hög syrehalt gjorde luften explosiv och minsta gnista kunde orsaka bränder. Genom enorma skogsbränder sänktes syrenivån till 21 %. En del forskare tror att den sänkta syrehalten kan ha bidragit till att dinosaurierna dog ut. Med en syrehalt på 21 % finns en balans mellan växternas fotosyntes och förbrukningen av syrgas hos alla övriga organismer.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

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.

Rost

Det finns ingen exakt formel för rost eftersom rost är en blandning av olika föreningar. Huvudkomponenten i rost är dock järn(III)oxid, Fe2O3.

Rost bildas när järn korroderar i närvaro av syre och vatten. Rost är sammansatt av varierande mängder av hydratiserad järn(III)oxid, Fe2O3·nH2O, järn(III)oxid-hydroxid, FeO(OH) och järn(III)hydroxid, Fe(OH)3. Rosten är ganska porös och har en färg som varierar mellan brunt och orange.

Först bildas den ytliga orangebruna rödrosten (Fe2O3), men den är ganska lätt att slipa bort. När rosten går på djupet bildas gravrost (FeO). Gravrosten har förmåga att ta upp fukt, vilket gör att rostangreppet fortsätter på djupet.

Rostproblem

Järn och stål är viktiga konstruktionsmaterial som används i mycket stor utsträckning, men utsätts lätt för rostbildning, särskilt i fuktiga och saltbemängda miljöer. Rosten är därför ett stort ekonomiskt problem, men även en säkerhetsrisk för hållfastheten hos bilar, broar och andra konstruktioner.

Foto: Ó Svante Åberg

Eftersom många verktyg och konstruktioner är tillverkade av stål, som är en form av järn, så blir det viktigt att skydda mot materialet sönderrostning. Det kan göras genom en tät övermålning eller genom att hindra fukt från att komma åt materialet.

Ibland är det svårt att upptäcka rostbildningen. Speciellt svårt är det när rosten bildas i smala springor och man inte kan se utifrån vad som håller på att hända. Att det rostar snabbare där det är syrebrist gör det inte lättare eftersom syrebristen uppstår längst in i smala sprickor och spalter, eller där ytan är dold under smutsen.

Rödrost i andra sammanhang

Det vi kallar rödrost är järn(III)oxid med formeln Fe2O3. Det finns som mineral i naturen och kallas hematit när det bryts som råvara för järnframställning. En form av järn(III)oxid är magnetisk och har använts i disketter och magnetband för lagring av data och för ljud- och videoinspelningar. Den röda järnoxiden fungerar också som polermedel inom guldsmide. Tillsammans med aluminiumpulver bildas en blandning som kallas termit. När termiten antänds utvecklar den mycket starkt värme och kan användas för svetsning. Dessutom är den rkröda färgen vacker, så den används också som färgpigment.

Material på avancerad nivå om rost kommer.

Rostbildning

En förutsättning för att järn eller järnlegeringar ska kunna rosta är närvaro av syre och vatten. Syret fungerar som oxidationsmedel när det bildas järn(III)oxid. Oxidationen sker vanligen i två steg så att Fe först bildar Fe2+, som sedan oxideras vidare till Fe3+.

Förutom syre behövs vatten. Vattnet går in som en del i rosten, antingen som hydrat eller som hydroxid. Dessutom bidrar vatten till att leda joner, vilket krävs när korrosionen sker genom lokala galvaniska element i metallytan.

Det är bara järn och järnlegeringar som bildar rost. Andra metaller kan korrodera på motsvarande sätt, men korrosionsprodukterna benämns då inte rost.

Kemiska reaktioner vid rostbildning

Eftersom rostbildning är en elektrokemisk process, så handlar det om en redoxreaktion. Oxidationsmedlet syre reduceras samtidigt om reduktionsmedlet järn oxideras. Reduktionen och oxidationen kan ske på olika ställen i materialet där reduktionen bildar katod (minuspol) och oxidationen anod (pluspol) i en galvanisk cell. Det förutsätter dock att både elektronvandring och jonvandring är möjlig mellan polerna. Elektronerna kan alltid vandra genom metallen, men för jonvandring krävs närvaro av vatten som jonerna kan lösa sig i. Det räcker med en tunn vätskefilm på ytan av metallen.

Reduktionen

Syre fungerar som oxidationsmedel, dvs. som elektronmottagare. När syret tar emot elektroner reduceras det enligt reaktionen
O2 + 4 e + 2 H2O → 4 OH

Eftersom det bildas hydroxidjoner påverkas processen av pH-värdet. I sur miljö drivs reaktionen kraftigare åt höger för att ersätta de hydroxidjoner som neutraliseras av syran. Reduktionen av syret och neutralisationen av hydroxidjoner är kopplade reaktioner. Det skyndar på rostbildningen.

Oxidationen

Järnet fungerar som reduktionsmedel, dvs. som elektrongivare. När järnet avger elektroner oxideras det enligt reaktionen
Fe → Fe2+ + 2 e

Nästa steg i oxidationen sker i närvaro av syre och vatten, vilket är nödvändiga för att rost ska bildas.
4 Fe2+ + O2 → 4 Fe3+ + 2 O2–

Syra-basreaktioner kompletterar rostbildningen

Fe2+ + 2 H2O ⇌ Fe(OH)2 + 2 H+
Fe3+ + 3 H2O ⇌ Fe(OH)3 + 3 H+

Dehydreringsjämvikter kompletterar rostbildningen

Fe(OH)2 ⇌ FeO + H2O
Fe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O
2 FeO(OH) ⇌ Fe2O3 + H2O

Syretillgången bestämmer var rostangreppet sker

Vid bildning av rost sker dels en reduktion av syre till hydroxid, dels en oxidation av järn till järnjoner. Reduktionen och oxidationen behöver inte ske på samma plats ifall det finns vatten på järnets yta som kan transportera joner mellan katoden (reduktion) och anoden (oxidation) för att jämna ut laddningarna.

Allmänt kan sägas att god tillgång på syre gynnar reduktionen av syre till hydroxid enligt formeln
O2 + 4 e + 2 H2O → 4 OH

På platser där syretillgången är dålig sker i stället oxidationen av järn till järnjoner enligt formeln
Fe → Fe2+ + 2 e

Det är till synes motsägelsefullt att trots att syre är en förutsättning för att rost ska kunna bildas, så korroderar järnet där syretillgången är sämst. I praktiken sker rostbildningen ofta längst in i smala spalter dit syret har svårt att transporteras. Svetsfogar mellan stålplåtar är därför känsliga punkter ifall skarven mellan plåtarna inte är helt tät och kan fyllas med fukt.

Rostbildning i en vattendroppe

I en vattendroppe på en järnbit sker reduktionen och oxidationen på olika ställen. Syretillgången är störst nära kanten av vattendroppen. Där sker reduktionen av syre till hydroxid. Detta fräter dock inte på metallen.

I droppens centrum är syrehalten lägre eftersom syre redan förbrukats i droppens ytterkant. Mitt under droppen sker därför oxidationen där järnatomer övergår till järnjoner. Den egentliga korrosionen som löser upp järnet sker därför mitt under droppen.

Laddningsseparationen neutraliseras genom en sluten strömkrets

Oxidationen av järn som sker under droppens mitt producerar elektroner som vandrar genom metallen till droppens ytterkant där elektronerna tas upp i reduktionen av syret. För att kompensera den laddningsseparation som elektronvandringen i metallen ger vandrar hydroxidjonerna som bildas vid droppens ytterkant in mot centrum. Av samma anledning vandrar bildade järnjonerna från mitten av droppen ut mot droppens ytterkant.

Rosten faller ut i mötet mellan järnjoner och hydroxidjoner

När järnjoner och hydroxidjoner möts fälls svårlöslig järnhydroxid ut.
Fe2+ + 2 OH → Fe(OH)2(s)

Järn(II)jonerna oxideras också vidare till järn(III)joner av syre som tillförs och det bildas Fe(OH)3 som sedan dehydreras i jämviktsreaktionen
Fe(OH)3 ⇌ FeO(OH) + H2O

Alla järnhydroxider och järnoxidhydroxider är svårlösliga och den rost som faller ut i mötet mellan järnjoner och hydroxidjoner är en blandning av ett flertal varianter av dessa.

Ättiksyra

Ättiksyra är en organisk syra med två kolatomer och har formeln CH3COOH. Ibland skrivs på en förkortad form HAc, där Ac representerar acetatjonen CH3COO. Ättiksyran kallas också etansyra. Som alla organiska syror har molekylen den karaktäristiska gruppen –COOH.

Syran är svag med pKa = 4,76, vilket är det pH då syran har avgett 50 % av sina vätejoner. Även ganska koncentrerade lösningar av ättiksyra har därför ett pH-värde som måttligt lågt.

Ättiksyra bildas när etanol oxideras, till exempel om vin får stå öppet och utsättas för luftens syre. Vinäger bildas på detta sätt och är en gammal ingrediens i smaksättning av rätter.

Ättiksyra tillverkas vanligen syntetiskt genom reaktion mellan metanol och kolmonoxid, men kan också tillverkas med bakteriell fermentering, dvs. på biologisk väg.

En hel del ättiksyra används i hemmen för inläggningar och smaksättning, men större delen av ättiksyran som produceras används i den kemiska industrin för att tillverka estrar, speciellt vinylacetat-monomerer som sedan polymeriseras till plasten polyvinylacetat (PVA).

Ättiksyra i olika koncentrationer för olika ändamål

Ättika som säljs har olika koncentration beroende på vad den ska användas till. För olika recept kan man också späda ättikan till lämplig koncentration.

Isättika

Isättika är 100 % ättiksyra, i varje fall över 90 %. Isättika är frätande och luktar starkt. Den ska hanteras med försiktighet.

Namnet isättika kommer av att smältpunkten (= fryspunkten) för ren ättiksyra är 16,6 C, alltså strax under rumstemperatur.

Isättika fungerar som lösningsmedel för en del plaster. Till exempel brukade man skarva filmer på den tiden som filmerna byggde på ljuskänsliga silversalter på en celluloidbas. Celluloiden löstes upp av isättikan. Filmändarna lades samman och fick torka. Celluloiden smälte samman i en kemiskt homogen skarv.

Vanlig ättika

Vanlig ättika av märket Perstorp är 24 %-ig. Det finns dock andra fabrikat som säljer 12 % ättika. Ättikan hanteras med viss försiktighet. Den har en stark lukt. Ofta späder man ättika enligt anvisningarna i matrecepten.

Ättika är bakteriedödande. Till exempel kan man i samband med avfrostning av kylskåpet passa på att skölja av det invändigt med en lösning av lika delar ättika och vatten. Men se till att skölja efter med rent vatten så att resterna av ättika inte finns kvar och kanske påverkar plasten.

Ättika kan också användas för att ta bort kalkavlagringar på diskbänken eller i kaffebryggaren.

Ett recept för att avkalka kaffebryggaren är att blanda 1 dl 24 % ättika med 6 dl vatten i kaffebryggaren. Sätt på bryggaren så att hälften av lösningen passerar. Stäng av bryggaren i 10 minuter för att ättiksyran ska få verka. Sätt på den igen och låt resten av lösningen passera. Brygg därefter 3-4 omgångar med rent vatten.


Ättiksyra ger snabbt ärg av kopparacetat på en kopparslant.
Bild: Svante Åberg

Ättiksyra har en förmåga att snabbt ge grön ärg på koppar. Det räcker med ångorna från ättikan för att kopparen ska ärga inom några timmar. Föreningen som bildas är kopparacetat.

Ättiksyrans förmåga att korrodera koppar, men även andra metaller, gör att den bör användas med försiktighet i kontakt med till exempel elektronisk utrustning. Glöm inte att även ångorna av ättiksyra kan vara korrosiva.

Ättiksprit

Ättiksprit är 12 %. Den fungerar som vanlig ättika, men är hälften så koncentrerad.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 1 del vatten.

Ogräsättika

Ogräsättika är ofta 12 %.

Om du inte vill köpa särskild ogräsättika, så kan du själv blanda till ogräsättika av 1 del 24 % ättika + 1 del vatten.

Ättika dödar växter och kan användas som ogräsmedel. Spruta ättiklösningen på ogräset eller vattna med den, så dör ogräset inom 2-3 dagar. Eftersom ättiksyra avdunstar, så ska man inte använda det i växthus eftersom ångorna sprider sig även till växter man vill ha kvar.

Använd inte ogräsättika till matlagning eftersom du inte kan vara säker på att den inte innehåller andra tillsatser som ska döda ogräset.

Inläggningsättika

Inläggningsättika är vanligtvis 6 %.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 3 delar vatten.

Matättika

Matättika är vanligtvis 3 %.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 7 delar vatten.

Vinäger

Vinäger innehåller ättiksyra, men är inte bara ättika. Vinägern innehåller dessutom smakämnen från det vin eller den cider som den är framställd av.

Ättiksyra som lösningsmedel

Sammantaget har ättiksyran både polära och opolära egenskaper. Den kan därför lösa polära ämnen, såsom alkoholer, sockerarter och salter, men är även löslig i opolära lösningsmedel såsom kloroform och hexan.

Polära egenskaper

Ättiksyrans karboxylgrupp –COOH ger polära egenskaper, särskilt när syran dissocieras till acetat, Ac. Ättiksyran är en svag syra och i vattenlösning har vi följande jämvikt:

HAc + H2O ⇄ H3O+ + Ac

Jämvikten i vattenlösning förskjuts åt höger när ättiksyralösningen är utspädd. Då förekommer mera av syran i form av den korresponderande basen acetat, som är en negativ jon.

Opolära egenskaper

I en koncentrerad lösning är jämvikten förskjuten åt vänster, det vill säga syraformen, som är en oladdad molekyl. I sin syraform är de polära egenskaperna mindre framträdande. Till det bidrar kolvätegruppen –CH3.

För ättiksyra gäller att Ka = 1,75·10–5 M. Med lite räknande kan man få fram att för en lösning av 0,1 M ättiksyra så är bara 1,3% av ättiksyramolekylerna protolyserade.

Tunnskiktskromatografi

I tunnskiktskromatografi är det viktigt att hitta en eluent med rätt polaritet för att kunna ge rätt löslighet åt de provfläckar som ska vandra på tunnskiktsplattan. Ofta väljer man en blandning av kolväte + ester + organiskt syra. Ett typiskt recept kan innehålla hexan + etylacetat + ättiksyra + vatten.

Litteratur

  1. A Simplified Determination of Percent Oxygen in Air, Chin-Hsiang Fang, Journal fo Chemical Education
    http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ed075p58 (2017-09-05)
  2. Atmosphere of Earth, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Atmosphere_of_Earth (2017-09-05)
  3. Gases of the Air, Chemical of the Week, Bassam Shakhashiri
    http://www.scifun.org/CHEMWEEK/GasesofAir2017.pdf (2017-03-10)
  4. Geological History of Oxygen, Howard Huges Medical Institute (hhmi), Biointeractive
    http://www.hhmi.org/biointeractive/geological-history-oxygen (2017-09-04)
  5. Rost, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Rost (2015-10-02)
  6. Rust, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Rust (2017-09-05)
  7. Rust Chemistry, Corrosion Doctors
    http://www.corrosion-doctors.org/Experiments/rust-chemistry.htm (2016-03-10)
  8. How does iron rust?, General Chemistry Online!
    http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/redox/faq/how-iron-rusts.shtml (2016-03-10)
  9. Redox, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Redox (2016-03-24)

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
Molnet i flaskan
Myggmedel - hur funkar det?
Osynlig gas
Platta yoghurtburkar
Popcorn
Salta isen
Saltat islyft
Slime
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Studsboll
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

elektrokemi, redox
Anodisering och färgning av aluminium
Att göra bly
Citronbatteri
Diffusion av kopparjoner
Elda stålull
Elektrofores av grön hushållsfärg
Elektrokemisk skrift
Guldpeng av mässing
Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi
Indikatorpapper för plus och minus på batteriet
Innehåller koksaltet jod?
Kemi med zinkjodid, del 1: Framställning
Kemi med zinkjodid, del 2: Återbilda grundämnena elektrokemiskt
Kemisk klocka med jod
Permanenta håret
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Rostindikator visar var järnet rostar
Saltkristaller av en aluminiumburk
Självantändning med glycerol och permanganat
Skämta med en svart kopparslant
Svantes testexperiment
Tag bort rost med elektrisk ström
Testa C-vitamin i maten
Tillverka tomtebloss
Varför rostar järn och hur kan man förhindra det?
Ärg på en kopparslant

gaser
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Den tillknycklade plåtburken
Den tunga koldioxiden
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Ett glas luft
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Ljuset under glaset
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Osynlig gas

kemiska metoder
Att göra bly
Att vara kemisk detektiv
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Blev disken ren?
Bränna papper
Elektrofores av grön hushållsfärg
Framkalla fingeravtryck med jodånga
Framkalla fotopapper
Framställ låglaktosmjölk
Förtenning
Gör hårt vatten mjukt
Identifiera plasten
Indikatorpärlor
Innehåller koksaltet jod?
Kemi med zinkjodid, del 2: Återbilda grundämnena elektrokemiskt
Kemisk vattenrening
Matoljans viskositet och omättade fettsyror
Mät CMC med hjälp av droppstorleken
Testa C-vitamin i maten
Tillverka en ytspänningsvåg
Tillverka fotopapper
Tvätta i hårt vatten
Vad innehåller mjölk?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel

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