pH-förändringar vid fotosyntes

Tillhör kategori: biokemi, livets kemi, jämvikt, syror och baser, urval experiment under revidering

Författare: Markus Andersson

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

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 60 minuter

Antal tillfällen: 2

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Alla har vi nog hört att gröna växter producera syrgas och kanske har vi också hört att de tar upp koldioxid. Men vet vi också att de konsumerar syrgas och producerar koldioxid i mörker? För att testa detta på ett enkelt sätt kan vi använda oss av skott från en vattenväxt (t.ex. vattenpest) som vi utsätter för olika behandlingar, t.ex. jus eller mörker och undersöka om pH-värdet i det omgivande vattnet ändrar sig.

Riktlinjer

Försöket passar väl som elevexperiment där eleverna jobbar i par. Beroende på elevernas färdigheter i laborativt arbete och förkunskaper i kemi och biologi kan man välja att ge eleverna denna labb som en öppen labb med endast vad som står under rubriken introduktionen som ledning, eller att ge eleverna även punktlistan under rubriken utförande. Min erfarenhet är att labben upplevs som mycket mer intressant av eleverna om de får planera den själva.

Säkerhet

Experimentet är praktiskt taget riskfritt. Undvik dock kontakt av BTB med hud, ögon och kläder.

Vattenlösning med BTB/fenolftalein kan hällas ut i vattnet. Skotten från vattenpest kan lämpligen slängas i de vanliga soporna eller i en kompost. Observera att vattenpesten inte ska slängas ut i närbeläget vattendrag eller sjö, eftersom den då kan klara av att etablera sig och slå ut inhemska arter.

Materiel

Förarbete

Köp in unga och välmående exemplar av vattenpest.

Ställ fram flaskor med tättslutande lock.

Några timmar innan laborationen fyll upp en hink eller liknande med vatten så att vattnet blir rumstempererat. Helst bör vattnet vara vatten från ett akvarium eller en sjö, så att vattnet är näringsrikt annars är det stor risk att vattenväxterna drabbas av näringsbrist och därmed fungerar fotosyntesen dåligt. Om man använder kranvatten kan man tillsätta natriumnitrat (NaNO3) respektive dinatriumvätefosfat Na2HPO4 för att ge en slutkoncentration på vattnet på 6.4 µM kväve samt 0.4 µM fosfor.

Utförande

Dag 1: Sätt igång experimentet

  1. Häll lite av det rumstempererade vattnet i två små bägare. Tillsätt 1 droppe fenolftalein respektive några droppar BTB. Notera eventuellt färgomslag.
    • Eventuellt: Mät pH på det rumstempererade vattnet med pH-meter.
  2. Placera de tre skotten i var sin flaska så att skottens ovansida pekar mot flaskans botten. Fyll flaskorna så att de blir helt fulla. Skruva på locket och se till att inga större luftbubblor finns i flaskorna.
  3. Ställ samtliga tre flaskor upp och ner (så att korken inte skuggar skottet).
  4. Placera ut flaskorna:
    • Flaska 1: under en ljuskälla (t.ex. lysrör) som är tänd hela dygnet (behandling med konstant och starkt ljus)
    • Flaska 2: vid ett fönster där den får dagsljus på dagen och mörker på natten (dagsljusbehandling).
    • Flaska 3: i mörker, t.ex. i ett stängt skåp (mörkerbehandling).
  5. Låt flaskorna stå till nästa dag.
Ljusbehandling för tre replikat av vattenpest och en referens utan växt.
Bild 1: © Markus Andersson

Dag 2: Observera resultatet

BTB i sur, neutral respektive basisk lösning.
Bild 2: © Wikipedia
  1. Ta bort flaskorna från ljuskällan och plocka ut skotten från flaskorna (för att undvika att t.ex. mörkerbehandlingen börjar fotosyntetisera).
  2. Avläs experimentet genom att hälla av lite av vattnet från flaskorna till vardera två bägare där en droppe fenolftalein respektive några droppar BTB tillsätts.
  3. Notera färgen och jämför med den färgen du startade med och hur de olika behandlingarna skiljer sig åt. Fenolftalein går från färglös till lila vid pH ca 8-10. BTB är gult i sur lösning, grön i neutral lösning och blå i basisk lösning. Uppskatta ett ungefärligt pH för vattnet i flaskorna.
  4. Mät eventuellt pH-värdet på vattnet i flaskorna med en pH-meter och jämför dina uppmätta resultat med dina uppskattade värden via färgavläsning.
  5. Förklara dina resultat utifrån en växts fotosyntes och respiration.

Variation 1

Om man gör den här laborationen med yngre elever kan det vara en poäng att tillsätta indikatorerna till flaskorna redan innan experimentet börjar. På det här sättet kommer man att se hur t.ex. en flaska med kranvatten och någon droppe fenolftalein går från genomskinlig till mörkrosa om flaskan står under ett lysrör. Använder man BTB som indikator kan man påvisa respiration, dvs en sänkning av pH. Färgen ändras från blått till grönt.

I det här experimentet har BTB använts som indikator. Flaskan med grön färg har stått i mörker 24 timmar, varav den blå har stått i ljus i 24 timmar. Båda flaskorna hade blå färg vid experimentets start.
Bild 3: © Markus Andersson

I det här experimentet har fenolftalein använts som indikator. Vattnet var färglöst vid experimentets start och efter att ha stått i ljus i 24 timmar kunde ett färgomslag till mörkrosa konstateras, dvs en höjning av pH-värdet.
Bild 4: © Markus Andersson

Variation 2

Om du har tillgång till tillräckligt många flaskor och mycket vattenpest kan experimentet göras i tre replikat, d.v.s. man har tre flaskor för ljus- behandlingen, tre för mörkerbehandlingen och tre för referensen, för att få ett säkrare resultat. Detta är en bra övning i vetenskapligt arbetssätt. Replikat är dock inte nödvändiga om experimentet utförs i klass eftersom de olika labgrupperna då kan jämföra sina resultat.

Förklaring

Fotosyntes: pH stiger när kolsyra/koldioxid förbrukas 6CO2 + 6H2O + ljusenergi  →  C6H12O6 + 6O2
Respiration: pH sjunker när kolsyra/koldioxid bildas C6H12O6 + 6O2  →  6CO2 + 6H2O + energi

För konstant och stark ljusbehandling förväntar vi oss att pH-värdet i vattnet stiger eftersom fotosyntesen här borde vara effektiv och snabbare än respirationen och därmed förbrukas koldioxid och pH stiger i vattnet. Detta kan observeras genom att en tillsats av fenolftalein (omslagsintervall pH 8-10) ger rosa färg.

För dagsljusbehandlingen är fotosyntesen inte lika effektiv eftersom även mörka perioder förekommer under natten. Beroende på när på dygnet (tidigt på morgonen eller på eftermiddagen) experimentet avläses kan pH vara antingen högre eller lägre än startvärdet. Detta kan lämpligen observeras med BTB (får en grön/gul nyans när Ph sjunker) om pH har sjunkit och fenolftalein blir rosafärgat om pH har stigit.

För mörkerbehandlingen har ingen fotosyntes skett eftersom inget ljus har funnits att tillgå. Däremot har respiration pågått och koldioxid har avgivits från vattenpesten till vattnet och därmed bör pH ha sjunkit, vilket kan lämpligen observeras med BTB.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Solljusets betydelse för växter

Nästan alla växter bedriver fotosyntes. Ett fåtal växter är parasiter på andra växter och har därmed ingen egen fotosyntes eller en begränsad fotosyntesförmåga som t.ex. misteln har. Solljuset är det som driver fotosyntesen där koldioxid reduceras till sockerarter. Via fotosyntesen omvandlas oorganiska ämnen som koldioxid och vatten till organiskt socker. Detta är förutsättningen för nästan allt liv på vår planet.

Ibland kan växterna få för mycket solljus, vilket skapar en stor produktion av s.k. fria radikaler som kan förstöra växternas celler, men för att skydda sig för detta finns olika mekanismer där en mekanism är att bilda pigment som fungerar som ett solfilter. Om det istället är brist på ljus bildar växterna pigment som hjälper klorofyllet att plocka upp solens strålar. Dessa olika pigment är oftast gula eller röda och kallas för karotenoider och det är bland annat dessa pigment som ger höstlöven dess gula och röda färg.

Fotosyntesen

Fotosyntesen är en förutsättning antingen direkt eller indirekt för nästan allt levande på jorden. Ett undantag är kemoautotrofa bakterier som istället utnyttjar energin ur kemiska reaktioner. I fotosyntesen kan växter, alger och vissa cyanobakterier använda sig av solens ljusenergi för att ombilda koldioxid och vatten till glukos och syrgas. Reaktionsformeln för fotosyntesen kan skrivas enligt följande:
6CO2 + 6H2O + ljusenergi → C6H12O6 + 6O2

Bilden visar en kloroplast med tylakoider. Flera tylakoider tillsammans benämns granum. Tylakoidmembranet består ett dubbelt lager av fosfolipider.
Bild 5: © Wikipedia

Fotosyntesen sker i klorplasterna som i sin tur är uppbyggda av tylakoider (Bild 5) och det är i tylakoidmembranet som fotosyntesreaktionen sker. Tylakoidmembranet är uppbyggt av ett dubbelt lager av fosfolipider.

Mellan fosfolipiderna i membranet finns klumpar av pigment som bildar s.k. fotosystem (Bild 6). Varje fotosystem består av antennpigment som har till uppgift att fånga upp solljus av olika våglängd. Många av dessa pigment är karotenoider som ofta är röd- eller gulfärgade, vilket också är de pigment som ger höstlöv dess röda och gula färg. I antennpigmenten förekommer också klorofyll, framförallt klorofyll a och klorofyll b.

Uppbyggnaden av ett fotosystem som finns i tylakoidmembranet inuti kloroplasterna.
Bild 6: © Wikipedia

De olika antennpigmenten absorberar olika våglängder av ljus och därmed kan en större del av solljuset användas för fotosyntes. I Bild 7 visas vilka våglängder som klorofyll a och b absorberar av solljuset och som bilden visar är det framförallt blått och rött ljus som absorberas. Anledningen till att de absorberar olika våglängder är att molekylerna ser något annorlunda ut och därmed absorberar och reflekterar ljus olika och därmed har de två pigmenten också något olika färgnyanser (Bild 8). Karotenoider kan effektivt absorbera solljus med en våglängd upp till ca 530 nm, vilket varken klorofyll a eller b kan. Den energi som pigmenten absorberas förs över via andra pigment till reaktionscentrat i fotosystemet där klorofyll a använder energin till för att driva det som i fotosyntesen kallas för ljusreaktionen.

Vid olika våglängder absorberar klorofyll a och b ljus olika väl. Framförallt blått och rött ljus absorberas effektivt av pigmenten.
Bild 7: © Svante Åberg

 

Strukturformler för klorofyll a och b, notera att molekylerna är identiska förutom att metylgruppen i klorofyll a är ersatt med en aldehydgrupp i klorofyll b.
Bild 8: © Svante Åberg

Ljusreaktionen består av två fotosystem, nämligen fotosystem II och fotosystem I. Anledningen till att fotosystem I som egentligen kommer efter fotosystem II heter som det gör är att fotosystem I upptäcktes innan fotosystem II och där av de två inte helt logiska namnen. Klorofyllet i reaktionscentrumen heter P680 respektive p700 eftersom det är vid dessa våglängder de har sina absorptionstoppar.

När fotosystemet absorberar ljus exciteras två elektroner från P680 och tas upp av en elektronacceptor (1) därmed har reaktionscentrat blivit oxiderat och har en stor benägenhet att ta upp elektroner (Bild 9). Detta gör att under inverkan av ett enzym att reaktionscentrat kan "ta" elektroner från vattnet och därmed splittras vattenmolekylen. De exciterade elektronerna går via elektrontransportkedjan (2) där ATP (adenosintrifosfat) bildas som senare kommer att användas i Calvincykeln. Vid P700 (3) exciteras elektronerna på nytt och tas upp av ytterligare en elektronacceptor som via ferredoxin för elektronerna till enzymet NADP+-reduktas (4) som reducerar NADP+ till NADPH. NADPH kommer att fungera som reduktionsmedel då koldioxid reduceras i Calvincykeln.

Ljusreaktionen beskriven enligt det s.k. Z-schemat.
Bild 9: © Wikipedia

Nästa steg i fotosyntesen är Calvincykeln där koldioxid binds till 5-kolföreningen ribulosdifosfat (synonym: ribulosbisfosfat) via enzymet rubisco. Rubisco är förmodligen världens vanligaste enzym eftersom det förekommer i alla fotosyntetiserande växter, alger och cyanobakterier. Då koldioxid binds till 5-kolföreningen bildas en instabil 6-kolförening som inom kort delar sig och bildar två 3-kolföreningar (3-fosfoglycerat). Till 3-fosfoglycerat kommer en fosforgrupp till att bindas och för detta krävs ATP (ATP som utvanns i ljusreaktionen) och då bildas 1,3 difosfoglycerat som sedan kommer att reduceras med hjälp av NADPH (NADPH som utvanns i ljusreaktionen) till en aldehyd (glyceraldehyd 3-fosfat). Denna aldehyd kommer sedan att omvandlas till glukos och därmed är slutprodukten socker. Fotosyntesen kan sammanfattas enligt bild 10 där man ser att för ljusreaktionen tas vatten in och ut kommer syrgas. Dessutom produceras ATP och NADPH som kommer att användas i Calvin-cykeln. I Calvincykeln tas koldioxid in och reduceras till socker. För att åstadkomma detta används ATP och NADPH.

Schematisk sammanfattning av fotosyntesen.
Bild 10: © Svante Åberg

Respiration

Såväl växter som djur behöver utvinna ATP ur organiska molekyler. Detta görs via respiration (cellandning) och vid tillgång till syrgas är det aerob respiration. I detta fall används syrgas som den slutgiltiga elektronacceptorn. Man kan säga att respirationen är en omvänd fotosyntes. Organiska molekyler som glukos oxideras till koldioxid och syrgas fungerar som elektronacceptor och energi frigörs. Respirationen kan skrivas enligt följande:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energi

Reaktionen sker i cellernas mitokondrier vilket även växterna har. Respirationen förser cellerna med ATP som är nödvändigt för att cellerna ska kunna arbeta.

pH och syra-basjämvikter och naturliga variationer av pH

pH för en vattenlösning beräknas med formeln: pH = -lg [H3O+]

Detta betyder att ju högre koncentrationen av oxoniumjoner (H3O+) är desto lägre blir pH-värdet och ju lägre koncentration av oxoniumjoner desto högre pH-värde. Då koncentrationen av oxoniumjoner är 1,0·10−7 är pH = 7 och lösningen sägs vara neutral. Om koncentrationen av oxoniumjoner är högre är lösningen sur och pH är mindre än 7 och om däremot koncentrationen är lägre är lösningen basisk och pH är högre än 7.

I den här laborationen visade vi hur en vattenväxt kan påverka pH i en tillsluten flaska. Om vi jämför detta med en sjö, så kan man även där finna att pH stiger något på dagen och sjunker något på natten. Detta är oftast ganska marginella skillnader och halten löst koldioxid i vattnet står i jämvikt med koldioxidhalten i atmosfären. På senare tid har forskare visat att pH-värdet i havet sjunker vilket är ett stort problem för alla organismer som är beroende av ett kalkskal såsom musslor och koraller. Orsaken till att pH-värdet i havet sjunker är den ökade koldioxidhalten i atmosfären.

När koldioxid löser sig i vatten bildas en vattenlösning av kolsyra:
CO2(g) + H2O(l) ⇄ H2CO3(aq)

Kolsyra är en svag tvåprotonig syra och kan därmed avge två H+. Men eftersom det är en svag syra kommer inte kolsyran att protolyseras fullständigt utan en jämvikt kommer att ställa in sig där reaktionen är ganska långt förskjuten åt vänster:
H2CO3(aq) ⇄ HCO3 + H+⇄ CO32− + 2H+

Om vi i denna jämvikt ökar mängden kolsyra t.ex. genom en hög respiration hos en vattenväxt i mörker, som då avger koldioxid som löser sig i vattnet och bildar kolsyra, kommer reaktionen att bli förskjuten åt höger. Åt höger i jämvikten finns fria vätejoner och det är de som bidrar till ett lågt pH-värde, vilket är samma sak som en hög koncentration (aktivitet) av vätejoner. Om däremot mer koldioxid förbrukas via fotosyntes än vad som bildas via respiration som t.ex. under en solig dag då en vattenväxt har god tillgång på ljus kommer jämviktsreaktionen bli förskjuten och vänster och därmed kommer koncentrationen av fria vätejoner att minska och pH-värdet kommer att höjas.

Fördjupning

Koldioxid-karbonatsystemet

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

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

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

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

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

Beräkningsexempel på koldioxid i jämvikt med vatten

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

Jämvikten mellan koldioxid i luften och i vattnet

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

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

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

Jämvikten mellan löst koldioxid i vattnet och kolsyra

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

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

Första protolyssteget av kolsyran

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

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

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

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

Andra protolyssteget av kolsyran

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

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

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

Le Chateliers princip

Henri Le Chatelier var en fransk kemist under senare delen av 1800-talet. Han arbetade som gruvingenjör i franska statens tjänst och blev så småningom professor, därefter ledamot i både Franska vetenskapsakademin och utländsk ledamot i svenska Vetenskapsakademien. Bland annat genomförde han studier över kemisk jämvikt. Han kom då fram till den princip som bär hans namn:

Om ett kemiskt system, där jämvikt råder, påverkas av en förändring i koncentration, temperatur eller totaltryck, kommer jämvikten att ändras så att förändringen motverkas.

Den kemiska jämvikten gör alltså motstånd mot förändringar, men kompenserar inte helt för den yttre påverkan som systemet utsatts för. Om till exempel etanol ingår som ett reagerande ämne i en jämvikt, och vi tillsätter mera etanol, så kommer reaktionen efter störningen av förbruka etanol. Men det blir inte riktigt hela tillsatsen av etanol som förbrukas, utan halten etanol i blandningen kommer faktiskt att vara lite högre sedan den nya jämvikten har ställt in sig.

Exempel på tillämpning av Le Chateliers princip

Estrar är väldoftande ämnen som kan framställas genom att låta alkohol och syra reagera med varandra så att ester och vatten bildas.

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Esterjämvikten är inte så starkt förskjuten åt höger. För att driva jämvikten hårdare åt höger kan man ta bort vatten som bildats. Det kan ske genom att man tillsätter torkmedel av till exempel vattenfri natriumsulfat. Natriumsulfatet binder upp vattnet så att det inte längre är tillgängligt i esterjämvikten.

Det vatten som tas bort ersätts, enligt Le Chateliers princip, genom att reaktionen går åt höger. Det innebär att ester bildas, samtidigt som alkohol och syra förbrukas. Det nya vatten som bildas tas också upp av torkmedlet, så reaktionen kan fortsätta ytterligare åt höger så att ännu mer ester bildas.

Estrar är opolära ämnen som är olösliga i vatten. Estern flyter därför som ett skikt ovan på vattenlösningen. Däremot är alkoholen och syran vattenlöslig. När man är nöjd med reaktionen, så kan skiktet av ester på ytan dekanteras av och man får ester i ganska ren form.

Exempel med bildning av ammoniak ur kvävgas och vätgas

Ett exempel är reaktionen när kvävgas reagerar med vätgas till ammoniakgas i den så kallade Haberprocessen:

N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g) + 92 kJ

Detta är en jämvikt mellan ämnen i gasform där vi har 4 delar gas i vänsterledet och 2 delar gas i högerledet. Reaktionen åt höger halverar antalet mol gas, vilket ger minskat gastryck om volymen hålls konstant. Reaktionen åt höger är exoterm, vilket innebär att inneboende energi hos ämnena avges och ombildas till värme.

Vi ska nu tillämpa Le Chateliers princip på denna jämvikt med några olika fall. Utgångspunkten är att systemet är i jämvikt. Därefter rubbar jämvikten på något sätt. Sedan förutsäger åt vilket håll reaktionen kommer att ske.

Tillförsel av kvävgas eller vätgas

I reaktionsformeln finns kvävgas och vätgas i vänsterledet. Om vi pumpar in mer kvävgas eller vätgas, så blir det "för mycket" kvävgas/vätgas i vänster led i förhållande till jämviktsläget. Reaktionen kommer att gå åt höger så att kvävgas och vätgas förbrukas. Det leder till att det bildas ammoniak. Dessutom avges värme, vilket gör att temperaturen höjs i systemet.

Tillförsel av ammoniak

Om vi pumpar in ammoniak blir det "för mycket" ammoniak i högerledet. Reaktionen sker då åt vänster så att mängden ammoniak minskar och det bildas mera kvävgas och vätgas. Reaktionen är endoterm, det vill säga den förbrukar energi. Därför sjunker temperaturen.

Bortförsel av ammoniak

Om vi på något sätt kan ta bort ammoniak från reaktionsblandningen, till exempel med en reaktion som binder upp ammoniakgas så att den inte kan delta i jämvikten längre, så blir det "för lite" ammoniak i högerledet. Det leder till att reaktion sker åt höger för att ersätta ammoniak som försvunnit. Kvävgas och vätgas förbrukas så att mängden av dem minskar. Reaktionen åt höger är exoterm, vilket leder till att temperaturen ökar.

Vi värmer reaktionsblandningen

Genom att värma reaktionsblandningen kan vi öka dess temperatur. Enligt Le Chateliers princip reagerar då systemet för att motverka temperaturökningen. Reaktionen sker då i endoterm riktning, det vill säga åt vänster. Det medför att ammoniak förbrukas och det bildas kvävgas och vätgas.

Ökning av trycket genom att minska volymen

Detta är en gasjämvikt, vilket innebär att systemet är känsligt för ändringar i volymen. Gaskoncentrationen ökar när vi komprimerar gasen genom att minska volymen.

Detta leder till en ökning av gastrycket. Systemet reagerar genom att motverka tryckökningen. Eftersom det är 4 delar gas i vänsterledet, men bara 2 delar gas i högerledet, så leder en reaktion åt höger till att gastrycket minskar. Minskningen av volymen gör därför att kvävgas och vätgas förbrukas och ammoniak bildas. Samtidigt är reaktionen åt höger exoterm, vilket gör att temperaturen ökar.

Minskning av trycket genom att öka volymen

Detta är motsatsen till föregående fall. När volymen ökar, så minskar gastrycket. Systemet motverkar tryckminskningen genom att reaktionen sker åt vänster så att antalet mol gas ökar. Reaktionen åt vänster är endoterm, vilket ger sänkt temperatur.

Den nya jämvikten som ställer in sig

Även om systemet motverkar den rubbning av systemet som vi orsakade, så kan systemet inte fullt ut kompensera för den påverkan som vi orsakade.

Om vi till exempel pumpar in extra kvävgas, så sker reaktionen åt höger så att kvävgas förbrukas. Men koncentrationen kvävgas, sedan den nya jämvikten ställt in sig, kommer inte att återgå helt till den koncentration som rådde vid den ursprungliga jämvikten, utan det blir kvar en rest av den påverkan som vi skapade. Därför är koncentrationen av kvävgas aningen högre i den nya jämvikten.

Detta kompenseras av att koncentrationen av vätgas är något lägre i den nya jämvikten än i den ursprungliga. På motsvarande sätt blir koncentrationen av ammoniak något högre i den nya jämvikten, än i den ursprungliga.

Inverkan av trycket

Det som styr jämvikten, vad gäller de ingående ämnena, är ämnenas koncentrationer. Jämviktens läge har att göra med reaktionshastigheten åt höger i jämförelse med reaktionshastigheten åt vänster. Eftersom kemisk reaktion sker i samband med att partiklar kolliderar, så är hastigheten koncentrationsberoende. Högre koncentration, ger högre hastighet.

Det är bara gaser som påverkas av trycket. Det beror på att gaser komprimeras av ett högre tryck, men vätskor och fasta ämnen är nästan inte alls komprimerbara. Därför är effekten av tryck på jämvikten bara något som man behöver ta hänsyn till när man har gaser i systemet.

Exempelvis påverkas inte jämvikten mellan fast och löst natriumklorid av trycket.

NaCl(s) ⇄ Na+(aq) + Cl(aq)

NaCl(s) är ett fast ämne vars volym inte ändras märkbart vid ändrat tryck. Natriumjonerna och kloridjonerna i vattenlösning påverkas inte heller eftersom vattenvolymen inte påverkas av trycket, i varje fall inte så länge som vattnet är i vätskeform.

Fysikaliska reaktioner

Le Chateliers princip är utformad för kemiska jämvikter. Principen fungerar dock i princip även för fysikaliska förändringar, till exempel övergångar mellan olika aggregationsformer.

För fysikaliska förändringar blir dock bilden rätt komplicerad när man behöver ta hänsyn till att mekaniskt arbete utförs, till exempel när gaser expanderar. Även temperaturförändringar vid adiabatisk expansion eller kompression inverkar. Då är vi inne på termodynamik, vilket vi inte tar upp närmare just nu.

Koldioxid

Egenskaper

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

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

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

Kolsyresnö och torris är koldioxidid fast form

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

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

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

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

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

Tillverkning och användning

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

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

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

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

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

Ett oorganiskt ämne med stor biologisk betydelse

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

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

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

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

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

Ökande koldioxidhalter i atmosfären försurar haven

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

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

Ökande koldioxidhalter i atmosfären orsakar global uppvärmning

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

Koldioxid i form av vätekarbonat stabiliserar pH

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

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

Koldioxid deponerad som mineraler

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

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

Fördelningen är följande:

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

Koldioxid som superkritisk vätska

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

Försurning av haven

Halterna i atmosfären

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

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

Löslighet och pH i vatten

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

Organismer med kalkskelett påverkas

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

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

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

Kolets kretslopp i havet och atmosfären

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

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


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

Luftens löslighet i vatten

Luften innehåller framför allt kvävgas och syrgas, men även små mängder av argon och koldioxid. Gaserna i luften har en viss löslighet i vatten. Lösligheten beror på vilken gas det är. Koldioxiden har en särskilt hög löslighet i vatten.

Men koncentrationen av gasen i luften påverkar också hur mycket som löser sig i vattnet. Gasen i luften och gasen i löst form i vattnet står i jämvikt. Ju mer det finns i luften, desto mer löser sig i vattnet.

I vattnet finns därför mest kvävgas, därefter syrgas och sedan löst koldioxid. Koldioxiden reagerar också med vattnet och bildar kolsyra.

Salthalten i vattnet minskar gasernas löslighet. Därför är det lite mindre lösta gaser i havsvatten än i sötvatten.

Temperaturen är också viktig. Gasernas löslighet minskar snabbt med ökande temperatur. Det kalla vattnet vintertid kan innehålla betydligt med syre än det varma sommarvattnet. Vissa fiskarter, såsom laxfiskarna, är särskilt syrekrävande. De klarar sig därför inte i varma vatten.

Henrys lag

När man ska räkna på löslighet av gaser i en vätska används med fördel Henrys lag. Till exempel för att få reda på koncentrationen av syrgas i vattnet i en sjö eller koldioxidhalten i blodplasman. Lagen lyder: Vid konstant temperatur är lösligheten av en gas i en vätska proportionell mot gasens tryck. För ämnet A gäller

pA = kA·cA
där pA gasens ångtryck över lösningen, cA är koncentrationen av löst gas A och kA är en proportionalitetskonstant som är beroende av lösningsmedlet och det som ska lösas.

För koldioxid är värdet på kA = 2,98·106 dm3Pa/mol när lösningsmedlet är vatten vid 25 °C.

Koldioxiden har särskilt hög löslighet i vatten

Koldioxid är i rumstemperatur en färglös gas som är 1,5 gånger tyngre än luft vid samma tryck och temperatur. Gasen är doftlös och har en sur smak. Smaken uppkommer då koldioxid reagerar med saliv och bildar kolsyra (H2CO3). Koldioxid är den stabilaste av kolets oxider och är slutprodukten när kol och koloxider reagerar med luft eller syre. Koldioxiden lär lättlöslig i vatten. Vid 15 °C och normalt lufttryck kan man lösa nästan 1 liter koldioxid i 1 liter vatten om man har ren koldioxid ovanför vattenytan.

gas andel i luft andel i vatten
N2 78 % 51 %
O2 21 % 31 %
CO2 0,038 % 18 %

Av luftens gaser är det framför allt kväve, syre och koloxid som löser sig i vattnet. Koldioxiden är den överlägset mest lösiga gasen i vatten, syre därnäst och kväve minst. Lösligheten av "luft" ger dock omvända ordningsföljden därför att den lösta gasen i vattnet står i jämvikt med samma gas i luften. Eftersom halten koldioxid i luften bara är 0,038 %, så blir trots allt halten koldioxid i vattnet ganska liten. I luften finns 78 % kvävgas och 21 % syrgas, vilket gör att trots marginellt lägre löslighet för kvävgas i vatten än för syrgas, så är den absoluta halten kvävgas i vattnet högre.

En anledning till att koldioxid löser sig förhållandevis bra i vatten är att den reagerar med vattnet och bildar en svag tvåprotonig syra, kolsyra (H2CO3). Syran protolyseras sedan vidare till vätekarbonat (HCO3) och karbonatjoner (CO32−). Vi har alltså kopplade jämvikter mellan luftens koldioxid och karbonatet som bildas i lösningen:

CO2(g) ⇄ CO2(aq) ⇄ H2CO2(g) ⇄ HCO3 ⇄ CO32−

Det är dock bara en liten del av syran som protolyseras när koldioxid löser sig i rent vatten, större delen av kolsyran finns löst som CO2(aq). Men om vattnet är basiskt ökar lösligheten dramatiskt. Kolsyran neutraliseras nämligen av basen och jämvikten drivs kraftigt åt höger.

Temperaturberoendet hos gasers löslighet

Lösligheten av koldioxid, och andra gaser är beroende inte bara av trycket, utan även av temperaturen. I vatten gör lägre temperatur att lösligheten för gasen ökar.

Luftens löslighet i sötvatten vid olika temperaturer.
Koldioxiden (trianglar) har oproportionerligt hög löslighet med tanke på hur låga halterna är i atmosfären. Men man kan också se en trend att koldioxidens löslighet blir relativt sett sämre vid högre temperatur. Vid 0 °C är lösligheten 50% av syrets, men vid 50 °C är den bara 30% av syrets löslighet i vatten.
Bild © Svante Åberg

Lösligheten för gaserna minskar kraftigt med temperaturen, se diagrammet ovan. När man värmer upp vattnet drivs gaserna ut. De första bubblorna man ser när vattnet börjar sjuda är lösta gaser som inte kan hållas kvar lösta i vattnet på grund av stigande temperatur. När vattnet kokar, är det inte gaser som avgår utan vatten som omvandlas till vattenånga och bubblar upp.

När vatten värms upp utan att gaserna får möjlighet att avgå bildas en övermättad lösning. Det vill säga vattnet håller mer gas än vad som möjligt. Detta är vad som sker när man värmer vatten i mikrovågsugnen till 100 grader. Då skulle normalt så gott som all gas vara löst ur vattnet. Men i en mikrovågsugn värms vattnet lika mycket i hela koppen och då cirkulerar inte vattnet och gaserna kommer inte upp till ytan och kan inte avges. Därför kan det brusa om till exempel en tepåse, eller om man rör i en kopp med vatten som blivit värmd i mikrovågsugnen. Detta skiljer sig mot att värma vatten i en kastrull, då cirkulerar vattnet på grund av att det är varmare i mitten av kastrullen än på kanterna. Varmt vatten stiger, svalnar något och sjunker längs med sidorna på kastrullen. Cirkulationen gör att gaserna hela tiden kan avges till luften ovanför.

Observera att sambandet att lösligheten minskar med ökande temperatur gäller i vatten, men inte i organiska lösningsmedel. I organiska lösningsmedel ökar lösligheten för gaserna med temperaturen.

Övermättad lösning

Ett exempel på övermättad lösning är när man kokar vatten i en mikrovågsugn. När du sedan stoppar ned tepåsen, så kanske du upptäcker att det börjar skumma. Det är överskottet av lösta gaser som avgår. Vattnet blev övermättat på gas genom att lösligheten för gaserna minskade när temperaturen ökade.

Växthuseffekten

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

Koldioxiden - en växthusgas vi behöver ha koll på

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

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

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

Andra växthusgaser

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

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

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

Växthusgasernas betydelse

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

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

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

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

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

Några exempel på hur klimatet kan påverkas är

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

Extrem växthuseffekt på planeten Venus

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

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

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

pH-begreppet


pH-värden för några vanliga ämnen.
"pH scale" av OpenStax College" (CC BY 3.0)

pH är ett mått på surhetsgraden i en vattenlösning. Det som gör vattnet surt är vätejoner, H+. Vätejoner kommer från syror, såsom ättiksyra, svavelsyra eller kolsyra, men jonerna bildas inte förrän syran löser sig i vatten.

pH är definierat bara i vattenlösningar. Man kan alltså inte ange pH för till exempel en etanollösning, även om syran kan lösa sig i etanolen och avge vätejoner på liknande sätt som i vatten.

pH i vardagen

Det är vätejonerna som ger de sura egenskaperna hos lösningen. Till exempel är vätejoner frätande på många ämnen. Vätejonerna ger också en syrlig smak. Faktiskt är mycket av det vi äter mer eller mindre surt. Frukter innehåller fruktsyror av olika slag. Filmjölk innehåller mjölksyra och läsk innehåller kolsyra. Den syrliga smaken är faktiskt uppfriskande.

Vattenlösningar med högt pH innehåller väldigt lite vätejoner. De är basiska. Basiska livsmedel finns nästan inte. Undantag kan vara svagt basiska kakor bakade med bikarbonat eller lutfisk där det finns små rester av luten. Däremot är många rengöringsmedel starkt basiska. I basiska lösningar är halten vätejoner väldigt låg. I stället finns det gott om hydroxidjoner, OH.

pH-skalan

pH-skalan går från cirka pH 0 för starkt sura lösningar via pH 7 för en neutral lösning till cirka pH 14 för mycket basiska lösningar.

Vätejonerna (H+) står i jämvikt med hydroxidjonerna (OH) i vattenlösningen. Vätejoner och hydroxidjoner är som vågskålarna i en balansvåg. När det finns mycket av den ena finns det lite av den andra, och vice versa. Det väger jämnt vid pH 7, när vattnet är neutralt. Så är fallet i alldeles rent vatten.

pH-skalans koppling till koncentrationen av vätejoner

Halten av vätejoner kan variera mycket. I mycket sura lösningar är halten i storleksordningen 1 mol/dm3. I mycket basiska lösningar är halten väldigt låg, ned till cirka 0,00000000000001 mol/dm3. I en neutral vattenlösning är halten 0,0000001 mol/dm3.

För att slippa skriva så många siffror, så kan man uttrycka halterna med hjälp av 10-potenser. Då blir det på följande sätt:

lösning[H+] på vanligt sätt[H+] med 10-potenserpH
mycket sur1 mol/dm3100 mol/dm3 0
neutral0,0000001 mol/dm310–7 mol/dm37
mycket basisk0,00000000000001 mol/dm310–14 mol/dm314

Man använder hakparenteser för att ange att det handlar om koncentrationen av något. Koncentrationen av vätejoner betecknas då [H+].

Genom att definiera pH som exponentens värde med motsatt tecken, så kan vi hantera halter från suraste lösningen till den mest basiska utan att skriva så många siffror. I tabellen finns pH-värdet i kolumnen längst till höger.

När man skriver 10-potenser är exponenten ett mått på storleksordningen hos vätejonhalten. Varje minskning av pH med ett steg motsvarar en multiplikation av vätejonkoncentrationen med faktorn 10, och ökning av pH motsvarar en division av vätejonkoncentrationen med faktorn 10. Att låga pH ger hög halt av vätejoner beror på att man bytt tecken när man definierat pH.

På motsvarande sätt motsvarar 2 steg faktorn 100, 3 steg faktor 1000, och så vidare.

Beräkningar med pH och [H+]

Man får man pH-värdet ur vätejonkoncentrationen med följande formel:
pH = –log [H+]

Omvänt beräknar man vätejonkoncentrationen ur pH-värdet med följande formel:
[H+] = 10–pH

Formell definition av pH


Moln av motjoner bildas kring enskilda joner i lösningen.
"Ionenverteilung inLoesung" av Daniele Pugliesi" (CC BY 3.0)

I praktiken använder man koncentrationer av ämnen i lösningar när man räknar på kemiska jämvikter. Koncentrationen av vätejoner, [H+], stämmer väl med hur stor effekt vätejonerna har kemiskt när de deltar i kemiska reaktioner om lösningen är relativt utspädd. Men om koncentrationen är högre än cirka 0,1 mol/dm3, så börjar man se tydliga avvikelser mellan den faktiska kemiska effekten och den man förväntar sig utifrån koncentrationen.

Orsaken till att kemisk effekt och koncentration inte längre är proportionella vid höga koncentrationer är att det bildas moln av motjoner kring vätejonerna som påverkar deras möjlighet att delta i kemiska reaktioner. Detta beskrivs av Debye–Hückel i deras teori. De kom fram till en korrektionsfaktor som kallas aktivitetskoefficient.

Vätejonens kemiska aktivitet, som betecknas {H+}, får man genom att multiplicera jonkoncentrationen [H+] med aktivitetskoefficienten γ.


Aktivitetskoefficienten γ för lösningar med olika jonstyrkor.
"Debye-Hückel equation" av V8rik" (CC BY 3.0)

Vid låga koncentrationer är aktivitetskoefficienten γ = 1, men vid högre koncentrationer tenderar γ att vara mindre än 1.

Debye–Hückels teori för aktivitetskoefficienten γ bygger på lösningens jonstyrka. Om lösningen bara innehåller envärda joner, så är jonstyrkan lika med koncentrationen av saltet. Men om lösningen innehåller 2-värda, eller till och med 3-värda joner, så blir jonstyrkan betydligt högre. Då sjunker aktivitetskoefficienten betydligt mera.

Den formella definitionen av pH bygger på vätejonens aktivitet:
pH = –log {H+}, där {H+} = γ [H+]

Omvänt får man:
{H+} = 10–pH

Bromtymolblått, BTB

En pH-indikator som slår om vid pH 7

Bromtymolblått, eller BTB som man oftast säger, är den vanligaste pH-indikatorn i skolan. Den är gul i sura lösningar när pH är under 7 och blå i basiska när pH är över 7. Färgomslaget sker alltså vid pH 7 och färgen är en blandning av gult och blått som ser grönt ut.

Olika pH-indikatorer slår om vi olika pH, inte nödvändigtvis vid pH 7. Men BTB slår faktiskt om vid pH 7, vilket är mycket praktiskt. Färgomslaget börjar synas vid pH 6 då en svagt grönaktig nyans hos det gula visar sig. På motsvarande sätt är pH 8 en ungefärlig övre gräns för när färgomslaget kan skönjas. Men den rent gröna färgen när 50 % av BTB-molekylerna är gula och 50 % är blå har man vid precis pH 7,0. Det pH-värde då indikatorn fördelas med 50 % på de två färgerna anges som pKInd (kan även heta pKa). För BTB är alltså pKInd = 7,0. Andra indikatorer har andra pKInd-värden. Exempelvis har fenolftalein pKInd = 9,7.

BTB-molekylen är övervägande opolär

Strukturen hos bromtymolblått visar
att den till stora delar är opolär.
Bild: ÓSvante Åberg

Molekylstrukturen för BTB är till stora delar opolär. Den löser sig därför lätt i något opolära lösningsmedel som t.ex. etanol. Lösligheten påverkas av formen. Den oladdade syraformen HInd är mer opolär än den laddade basformen Ind- vilket gör att saltet NaInd (Na+Ind-) av BTB är mer vattenlösligt än syraformen.

När man bereder indikatorlösning från pulver av syraformen av BTB bör man börja med att lösa pulvret i t.ex. 2-propanol. När BTB har löst sig kan man sedan späda med lika mycket avjonat vatten till dubbla volymen. Det är svårt att lösa syraformen av BTB direkt i vatten.


Fenolftalein

Fenolftalein är en vanlig pH-indikator i skolan. Den är ofärgad i sura och neutrala lösningar, men blir rosa i basiska lösningar. Omslaget från ofärgad till rosa sker kring pH 9,7. Något som de flesta inte vet är att fenolftalein blir varmt djupröd i mycket sura lösningar där pH är under 0.

Fenolftalein har använts som laxermedel i över ett århundrade. Laxermedel gör avföringen lösare under en tidsperiod på 3-4 dagar. Misstanke om att fenolftalein kan ha en cancerogen effekt gör att man numera undviker den i laxermedel.

Nygjuten betong innehåller kalciumhydroxid, så kallad släckt kalk. I kontakten med luftens koldioxid reagerar den och bildar kalciumkarbonat inom några timmar. Bildningen av kalciumkarbonat gör betongen starkare. För att testa betongen använder man fenolftalein. Kalciumhydroxiden har pH över 8,6 och ger rosa färg med fenolftalein. Men kalciumkarbonatet har pH kring 8,4, vilket gör att fenolftaleinet förblir ofärgat.

Jämvikten för fenolftalein mellan den ofärgade (H2In) och rosa (In2-) formen ovan innebär reaktion med två hydroxidjoner. Det är egentligen en reaktion i två steg med en hydroxid vardera gången, men man ser inte någon färgförändring i det första steget. Eftersom en indikator tillsätts i så liten mängd, så har det ingen praktisk betydelse att det går åt två hydroxidjoner.

Reaktionsstegen mer i detalj är följande:
H3In+ (varmröd) ⇄ H2In (ofärgad), pK0 = 0
H2In (ofärgad) ⇄ HIn- (ofärgad), pK1 = 9,05
HIn- (ofärgad) ⇄ In2- (rosa), pK2 = 9,5
In2- (rosa) ⇄ In(OH)3- (ofärgad), pK3 = 12

(Notera att uppgifter om pK-värdet för fenolftalein varierar något beroende på källa. Vanligen anges pK = 9.7, men i referensen till denna lista anges pK2 = 9.5: Se Acid–base reactions of phenolphthalein)

Det kan också verka konstigt att vi talar om hydroxidjoner i pH-jämvikten i stället för vätejoner. Det är fullt möjligt att skriva jämvikten som en reaktion med vätejoner, men det stämmer bättre med verkligheten att tala om hydroxid eftersom vattnet vid omslaget pH = 9.5 är basiskt.

Fotokemiska pigment

Solljuset är en energikälla som håller igång livsprocesserna på jorden. Liv är inte möjligt utan att växter och andra organismer kan växa, fortplanta sig och hålla igång de biokemiska processerna som ligger bakom detta. Det är växterna som samlar denna energi i fotosyntesen med hjälp av sitt klorofyll. Men det är inte bara klorofyllet som använder ljusets energi i sina kemiska omvandlingar, utan även andra pigment.

Gemensamt för dessa pigment är att de energier som det handlar om ligger i det synliga våglängdsområdet. När pigmenten absorberar vissa ljusvåglängder av det vita solljuset, ändras den spektrala sammansättningen så att ljuset blir färgat. Därför är alla fotokemiska pigment mer eller mindre starkt färgade.

I naturen ser vi grönt klorofyll i växternas blad, röda och blå antocyaniner i blommor och frukter, röda betalainer i rödbetor, gula och orange karotenoider i höstlöv och morötter. Pigmenten fångar ljusets energi, skyddar mot skadlig UV-strålning, guidar de pollinerande insekterna och skyddar oss med sina antioxidanter mot cancer och nedbrytande processer i våra celler.

Så uppkommer färgerna hos växtpigmenten

Ljus består av fotoner, där varje foton har en bestämd mängd energi. Ju kortare våglängd ljuset har desto större energi har fotonen. De fotoner vars energi överensstämmer med energiskillnaden mellan två elektrontillstånd hos molekylen absorberas, övriga fotoner är opåverkade.

Allmänt gäller att elektroner som är hårt bundna till en viss position i molekylen tenderar att ligga på elektrontillstånd med högre skillnad mellan energinivåerna. Sådana molekyler absorberar utanför det synliga området i UV.

Molekyler där elektronerna är fria att röra sig över en större del av molekylen har energitillstånd som ligger tätare. Sådana molekyler absorberar ofta i det synliga vågländsområdet och blir därför ofta starkt färgade.

Typiskt är att alternerande dubbel- och enkelbindningar (konjugerade bindningar) gör att elektronerna kan röra sig längs hela kedjan med bindningar via en mekanism som kallas resonans. Sök efter alternerande enkel- och dubbelbindningar i strukturformeln för att bedöma om molekylen är starkt färgad.

Färgerna hos klorofyll

När klorofyll utsätts för solljus kommer fotoner med våglängd kring 430, 453, 642 och 663 nm att absorberas. Det är ljus som uppfattas som blått respektive rött, vilket resulterar i att vi ser växter som gröna - den färg som inte absorberats.


Klorofyll-a och klorofyll-b har maximal ljusabsorption i blått och rött, medan våglängsområdet kring grönt inte absorberas. Klorofyll är därför grönt.
Bild: Svante Åberg

Alternerande enkel- och dubbelbindningar gör att klorofyller absorberar synligt ljus och därför blir färgade för ögat.

Klorofyll A och klorofyll B har något olika nyanser av grönt beroende på att den ena har en metylgrupp och den andra en aldehydgrupp. Denna skillnad gör också att klorofyll A är mer hydrofob än klorofyll B.


Klorofyll A har en metylgrupp där klorofyll B har en aldehydgrupp. Denna lilla skillnad påverkar färgnyansen.
Bild: Svante Åberg
Färgerna hos karotenoider

Beta-karoten har alternerande enkel- och dubbelbindningar som sänker energin för elektrontillstånden så att pigmentet absorberar i det synliga våglängdsområdet.


Beta-karoten har alternerande enkel- och dubbelbindningar.
"Structure of beta-carotene" av NEUROtiker" Public Domain Mark

Beta-karoten absorberar mera av det gröna än klorofyll A och B, men inget i det röda våglängdsområdet.
Bild: Svante Åberg

Absorptionen sker främst i blått (våglängdsområdet 400-500 nm) och i UV-området. Det ljus som inte absorberas är rött, gult och en del grönt, vilket tillsammans ger beta-karoten en orange färg.

Moroten har gett sitt namn åt ämnet karoten och hela gruppen av karoten-liknande substanser, karotenoiderna. Karotenoider är gula eller orange pigment med låg vattenlöslighet.

Karotenoider finns inte bara i morötter, utan även i tomater (lykopen), många blommor med gul eller orange färg, i de gula höstlöven och äggula (xantofyll såsom lutein), mm.


Morötter är rika på kartoten.
"Carrot diversity" av Larsinio" Public Domain Mark
Färgerna hos antocyaniner

Att färgerna för antocyaniner varierar efter pH beror på att energinivåerna för elektronerna i molekylen påverkas av molekylens utseende och laddningsfördelning.


Cyanin är en antocyanin. Färgerna är typiska för antocyaniner i allmänhet, men med små skillnader i färg och vid viket pH som färgen ändras.
Bild: Svante Åberg
Färgerna hos betalainer

Betalainer är vattenlösliga växtpigment som visserligen påminner om antocyaniner, men som har en annan kemisk struktur där kväve ingår.

Ung flugsvamp Mogen flugsvamp Gammal flugsvamp
Att betaninet är vattenlösligt förstår man när man ser hur regnet får flugsvamparna att blekna.
Bilder: Svante Åberg

Betalainer finns av två typer med olika färger. Betaxantinerna har nyanser mellan gult och orange, betacyaninerna mellan rött och violett.


Betaxantin och betacyanin, de två huvudtyperna av betalainer. Notera att kväve ingår i strukturen, något som skiljer betalainerna från antocyaninerna.
"Betalains" av Harris et al; licensee BioMed Central Ltd. 2012" Public Domain Mark

Klorofyller


Fotosyntesen sker i bladens gröna kloroplaster, där klorofyllet finns.
"Plagiomnium affine laminazellen" av Fabelfroh" (CC BY-SA 3.0)

Klorofyller är gröna pigment som finns i cyanobakterier, och i cellernas kloroplaster i alger och växter. Klorofyll är den viktigaste molekylen för att fånga solljusets energi och bygga in det i kolhydrater som växterna syntetiserar. Växterna utgör sedan föda för djuren. På så vis kan den fångade solenergin spridas i hela ekosystemet.

Fotosyntes med hjälp av klorofyll-a och b

Klorofyll-a och b ingår i växternas fotosyntes. Molekylerna är inbäddade i tylakoidmembranen i kloroplasterna, där fotosyntesen sker.

Varianter av klorofyll

De vanligaste klorofyllerna är klorofyll-a och klorofyll-b, men det finns också klorofyll c1, c2, d och f:

Klorofyll-a finns är universell och finns i alla organismer som innehåller klorofyll.
Klorofyll-b finns mest i växter
Klorofyll-c1 och c2 finns i olika alger
Klorofyll-d och f finns i cyanobakterier


Kloringruppen innehåller en magnesiumjon. Just denna klorinvariant ingår i klorofyll-a.
"Chlorin Chlorophyll d" av charlesy" Public Domain Mark

Klorofyll-a finns i alla organismer med fotosyntes, inklusive alger. Absorptionsmaxima ligger i det våglängdsområde där solljuset är intensivt. Energin fångas och kanaliseras till att driva sönderdelningen av vatten och vidare reaktion med koldioxid för att bilda kolhydrater.

Klorofyll-b finns även den i växter och gröna alger. Eftersom absorptionsmaxima för klorofyll-b är förskjutna en del i förhållande till klorofyll-a, så kompletterar klorofyll-b absorptionen av solljuset.

Klorofyll-c finns i vissa typer av alger, inklusive dinoflagellater. På samma sätt som klorofyll-b bidrar den till att fånga solljuset, men kolorfyll-c deltar inte själv i de fotokemiska reaktionerna som sedan följer.

Klorofyll-d finns i cyanobakterier och röda alger. Ljusabsorptionen sker i det långvågiga området vid 710 nm strax utanför det synliga området. Det är en anpassning till det ljus som finns tillgängligt på måttliga djup i havet.

Klorofyll-f absorberar också långvåglig ljus, ännu längre in i det infraröda våglängdsområdet som ligger utanför det synliga spektrat. Klorofyll-f finns i cyanobakterier.

Gemensamt för alla klorofylltyper är tetrapyrrolringen (klorin) som binder en magnesiumjon i centrum. Denna grupp är mycket lika hem-gruppen i hemoglobin, som i stället binder en järnjon.

När klorofyllet bryts ned på hösten

Kloringruppen i klorofyllet bryts ned till en färglös förening.
"Nonfluorescent chlorophil catabolite" av Ronhjones" Public Domain Mark

När hösten kommer, bryts bladens klorofyll ned samtidigt som antocyaniner bildas. Det leder till att det gröna försvinner och ersätts av röda och gula höstfärger.

Xantofyller är karotenoider besläktade med pigment som karoten och quercetin. Xantofyller är gula och orangefärgade. Visserligen finns de i bladen på sommaren, men de döljs av det gröna klorofyllet. När klorofyllet bryts ned blir de gula och orange färgerna synliga.

Antocyaniner bildas av socker med hjälp av solljuset under hösten. Bildningen gynnas av att hösten är relativt långdragen, men samtidigt kylig och solig. Även antocyaninernas färger blir tydliga av att klorofyllets kraftiga gröna färg försvinner.

Nedbrytningen av klorofyllet gör det möjligt för trädet att återvinna kvävet som finns i klorofyllet, innan trädet fäller sina blad.

Karotenoider

Färgerna hos tre vanliga karotenoider. Beta-karoten är en karoten eftersom den är ett kolväte. Lutein och violaxantin är xantofyller eftersom de innehåller syre.
Bilder: Svante Åberg

Karotenoiderna delas in i karotener och xantofyller. Karotenerna är kolväten. Xantofyllerna innehåller, förutom kol och väte, dessutom grundämnet syre.

Karotenoiderna innehåller alternerande enkel- och dubbelbindningar i kolvätekedjan. Kedjan är alltså en polymer av isoprengrupper, -C(CH3)=CH-.

Dessutom spegelvänds denna kolvätekedja i mitten av molekylen. Karotenoiden är alltås symmetrisk så att den kan delas i två likadana halvor.

De mest kända karotenoiderna är beta-karoten och lykopen. Beta-karoten finns i morötter och många vegetabilier som vi äter. Beta-karoten är också en färgämne i livsmedel med nummer E 160a. Lykopen är det röda pigment som ger färgen åt tomater.

Karotenoider är omättade kolväten som är mycket hydrofoba. De är olösliga i vatten, men i stället fettlösliga. Därför lagras karotenoider i fettvävnader i kroppen, men även i muskler, hud och ögon. Om man ska ta bort fläckar av karoten, måste man använda fettlösande borttagningsmedel. Ett trick är att gnugga fläcken med lite smör först, och sedan tvätta med tvål och vatten.

Karotenoider bidrar till ljusinsamlingen i fotosyntesen. De absorberar våglängder i det blågröna våglängdsområdet som klorofyllerna inte fångar upp.


Retinol, som bildas ur en halv beta-karoten, är en av de vanligare varianterna av A-vitamin.
"Retinol" av NEUROtiker" Public Domain Mark

Karotenoiderna skyddar också växterna mot alltför stark strålning. De omvandlar energin i strålningen till värme. Utan detta skydd skulle en del proteiner och cellmembraner i växterna ta skada.

När vi äter karotenoider, så spjälkas molekylen i två delar vid matsmältningen och bildar två molekyler A-vitamin. Vitamin A behövs för att foster ska utvecklas i den tidiga delen av graviditeten, och för att vi ska få en fullgod syn.

Lykopen är dock en karotenoid som inte bildar A-vitamin eftersom den saknar den cykliska kolvätegruppen som finns i A-vitamin.

Människor äter många olika karotenoider. Vi äter mest av β-karoten, lykopen, lutein, zeaxantin, β-kryptoxantin, och α-karoten, som tillsammans utgör 90 % av karotenoiderna i vår diet.

Karotenoiderna är också nyttiga. De har antioxidativ effekt och man har kunnat konstatera att de motverkar cancer.

Antocyaniner

Antocyaniner hittar vi i nästan alla frukter och bär, i många röda och blå blommor, och i höstlöv som blir röda när växtsäsongen lider mot sitt slut. Blåbär är särskilt rika på antocyaniner. Det är också gott om antocyaniner i rödkål.

Antocyaninerna innehåller många OH-grupper och sockergrupper, som ju är polära. Därför är antocyaninerna lättlösliga i vatten.

Eftersom antocyaninerna är antioxidanter, så anser man att de kan skydda mot fria radikaler som kan skada cellerna i kroppen. För mycket fria radikaler orsakar något som man kallar oxidativ stress. En hypotes är att de fria radikalerna bidrar till åldrandet och att antioxidanter skulle saktar ner åldringsprocessen något. Det finns tecken på att antocyaniner och andra flavonoider skulle ha ett flertal positiva hälsoeffekter.

Antocyaniner bryts ganska lätt ner av värme, syre och ljus. De är därför inte lätta att förvara. Om man vill behålla antocyaninerna, så är infrysning en möjlighet. Så länge som antocyaninerna finns i de frukter, bär och andra växter där de bildades, är dock nedbrytningen långsammare.

Betalainer

Betalainer påminner mycket om antocyaniner, till exempel vad gäller deras vattenlöslighet. Betalainer innehåller dock kväve, vilket antocyaninerna inte gör. Det har också visat sig att betalainer och antocyaniner aldrig förekommer tillsammans i samma växt.

Betalainer är antioxidanter, vilket betyder att de har förmågan att oskadliggöra fria radikaler som förekommer i kroppens celler. Fria radikaler är mycket reaktiva och kan bryta ner DNA och andra ämnen i kroppen. Om betalainerna verkligen fungerar i kropppen (in vivo) återstår att visa vetenskapligt, men hypotesen är att de skulle kunna minska risken för cancer och kärlsjukdomar. Man har kunnat visa att betalainer har viss hämmande effekt mot malaria och andra parasiter och att de har antimikrobiell effekt.

Det finns två typer av betalainer, nämligen betacyaniner och betaxantiner.

Betanin är färgen i rödbetor

Strukturen för betanin, det röda färgämnet i rödbetor.
"Betanin" av Shaddack" Public Domain Mark

Den mest kända betalainen är betanin, som finns i rödbetor och röda flugsvampar.

Betanin är ett livsmedelsfärgämne med nummer E162. Betanin är inte så stabilt. Det bryts ned av ljus, värme och syre. Det använd därför i frysta livsmedel. Det är lätt att utvinna betanin ur rödbetor eftersom det är så vattenlösligt.

Betaninens färg är pH-beroende med pKa1 = 3,3 och pKa2 = 8,5. Vid pH under 8 är färgen ljusare röd med dragning åt magenta. Vid pH över 9 är färgen blåviolett och mörkare. Vid vid tillräckligt höga pH sönderfaller betanin och färgen bleknar till en gröngul nyans.

Rödbetssaft kan användas som pH-indikator, men är inte lika bra som rödkålsindikatorn.

Litteratur

  1. Carbon Dioxide, Chemical of the Week, Bassam Shakhashiri
    http://www.scifun.org/CHEMWEEK/CarbonDioxide2017.pdf (2017-03-10)
  2. Carbon dioxide in Earth's atmosphere, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide_in_Earth%27s_atmosphere (2017-09-07)
  3. Ocean acidification, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_acidification (2017-09-08)
  4. Carbon Dioxide and Carbonic Acid, Utah State university
    http://ion.chem.usu.edu/~sbialkow/Classes/3650/Carbonate/Carbonic%20Acid.html (2017-09-08)
  5. Dissolved Oxygen and Carbon Dioxide, Prof. Shapley, University of Illinois
    http://butane.chem.uiuc.edu/pshapley/GenChem1/L23/web-L23.pdf (2017-09-08)
  6. M. Andersson, Pigment and acclimation atterns in marine red algae exposed to oxidative stress, Licentiate thesis, 2005, Uppsala.
  7. P.G. Falkowski & J.A. Raven, Aquatic photosynthesis, 1997, Blackwell Science, Oxford.
  8. Neil. A Campbell, Biology, 4th Edition, 1996, The Benjjamin/CummingsPublishing Company, Inc., California.
  9. S.S. Zumdahl, Chemical Principles, 1995, D.C. Health and Company, USA.
  10. Main page, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page (2007-08-29)
  11. Photosynthesis, Mike J. Farabee, Online Biology Book, Estrella Mountain Community College
    http://www.emc.maricopa.edu/faculty/farabee/BIOBK/BioBookPS.html (2007-09-13)
  12. Biology I Animations: Photosynthesis and Plants, North Harris College
    http://science.nhmccd.edu/BioL/bio1int.htm#photo (2007-09-13)
  13. Mussel Your Way Through Photosynthesis, Bob Culler, Access Excellence
    http://www.accessexcellence.org/AE/AEC/AEF/1995/culler_photo.html (2007-09-13)
  14. Photosynthesis, Morgan J. Hannaford, Shasta College
    http://www2.shastacollege.edu/mhannaford/Bio10/Bio10Lab7photosynthesis.pdf (2007-09-13)

Fler experiment


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

jämvikt
Anden i flaskan
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Avdunstning och temperatur
Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat
Brus-raketen
Den frysande bägaren
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Flaskor mun mot mun
Framställ väldoftande luktämnen
Fryspunktsnedsättning
Färgämnen i M&M
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Gummi och lösningsmedel
Gör kopparslanten skinande ren - med komplexkemi
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur smakar salmiak?
Innehåller koksaltet jod?
Kemi i en brustablett
Kemi i en plastpåse
Kemisk jämvikt hos ett osynligt bläck
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Luftfuktighet och rostbildning
Löslighet och pH - En extraktion
Maskrosen som krullar sig
Massverkans lag och trijodidjämvikten
Molnet i flaskan
När flyter potatisen?
Osmos i potatis
pH i kokt mineralvatten
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

syror och baser
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Badbomber
Brus-raketen
Den tunga koldioxiden
En märklig planta
Flaskor mun mot mun
Försvinnande bläck
Göra lim av kasein
Höna med gummiben?
Indikatorpärlor
Kemi i en plastpåse
Kemiskt snöfall
Löslighet och pH - En extraktion
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Modellmassa av mjölk
Osmos i ett ägg
Pelargonens färg
pH i kokt mineralvatten
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Saltkristaller av en aluminiumburk
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Tag bort rostfläcken med det ämne som gör rabarber sura
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Varför äter vi Samarin?
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Älskling, jag krympte ballongen

urval experiment under revidering
Badbomber
Bjud din jäst på mat
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den bästa bulldegen
Den tunga koldioxiden
Diffusion av kopparjoner
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Eld - varför brinner det?
Elda stålull
En märklig planta
Gelégodis i vatten
Gör hårt vatten mjukt
Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi
Hur gör man kakan porös?
Indikatorpärlor
Kemi i en brustablett
Kemi i en plastpåse
Koka vatten i en spruta
Ljuset under glaset
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
När flyter potatisen?
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Pelargonens färg
pH i kokt mineralvatten
pH-beroende avfärgning av rödkål
Principen för dynamisk jämvikt
Pulversläckare
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Tvätta i hårt vatten
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening