Utfällning av aluminium

Tillhör kategori: aggregationsformer, fysikalisk kemi, jämvikt, syror och baser, vardagens kemi

Författare: Pontus Bråmér

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

Frätande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 20 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Experimentet visar en pH-beroende komplexbildningsreaktion. Dessutom tydliggör experimentet begreppet jämvikt. Dessa reaktioner är mycket viktiga i industriella processer, i miljön och i levande system.

Riktlinjer

Laborationen lämpar sig som demonstration eller som elevlaboration för äldre elever.

Säkerhet

Använd skyddsglasögon på grund av risken för stänk av natriumhydroxid och saltsyra.

Överblivna lösningar neutraliseras och kan då spolas ned i vasken.

Materiel

Förarbete

Lösningen av aluminiumklorid

I experimentet anges 0,2 g AlCl3·6 H2O [Mw = 241,44 g/mol] i vatten till volymen 100 ml motsvarar koncentrationen 0,00828 mol/dm3. Men saltet kan finnas med olika antal kristallvatten. Titta på kemikalieburken vilken molmassa (Mw) som anges och väg upp motsvarande mängd. Eftersom mängden är 0,0083 mol så beräknar du vikten (g) = 0,0083 mol · molmassan. Om man inte tänker göra kvantitativa observationer behöver man inte vara så noga med ämngden, utan kan portionera på en höft.

Utförande

  1. Lös 0,2 gram aluminiumklorid i 100 ml vatten i bägaren.
  2. Sätt bägaren med magnetloppa på magnetomröraren, som ställs in på långsam omrörning.
  3. Placera pH-elektroden i bägaren och slå på strömmen.
  4. Läs av pH vid start och observera lösningens utseende. (pH cirka 3,2; lösningen klar)
  5. Nu ska aluminiumjonens pH-beroende visas: Tillsätt NaOH droppvis (men i snabb följd för att spara tid).
    • Efter ca 10 ml kommer ett snabbt omslag och pH stiger snabbt.
    • Aluminiumhydroxid (som bildas) har som lägst löslighet vid pH 6,2-6,7
    • Vid pH 11 börjar lösningen klarna (10 + 6 ml NaOH har då tillsatts) för att vara nästan helt klar vid pH 12,5 (Totalt ca 19 ml NaOH)
  6. Nu ska reaktionens reversibilitet visas: Tillsätt droppvis HCl.
    • pH sjunker och lösningen blir grumlig.
    • Vid pH 3,5 liknar lösningen "vatten i ett gammalt mjölkglas"
    • Vid pH 1,8 är lösningen helt klar. (Totalt ca 19 ml HCl)

Variation

Förklaring

Aluminiumjonens löslighet i vatten är pH-beroende. Den kan buffra och "knyta till sig" olika antal vatten och/eller hydroxidjoner vid olika pH. Jonen (komplexet) är positivt laddad och därmed lösligt i vatten vid pH 3 men oladdat och olösligt vid pH 6,3 och lösligt och negativt laddad vid pH 12. Genom att tillsätta bas respektive syra kan man förskjuta pH och studera lösligheten av jonkomplexet.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Detta sker i experimentet

Aluminiumjonen är en trevärt positiv jon. När den reagerar med vatten bildas oxoniumjoner och lösningen blir sur.

Al(H2O)63+ + H2O → [Al(H2O)5(OH)]2+ + H3O+

Om pH, till exempel med hjälp av NaOH, höjs successivt kommer fler vätejoner att lämna aluminium för att kompensera höjningen. Aluminiumsaltet buffrar. Efter ytterligare två protolyssteg har aluminiumjonen bildat Al(H2O)3(OH)3(s), som är oladdad och därför svårlöslig i vatten. Den faller ut och "försvinner" från den homogena jämvikten.

Om man fortsätter tillsatsen av NaOH stiger pH ytterligare. Al(H2O)3(OH)3(s) avger då ytterligare en vätejon och bildar ett negativt laddat komplex som därför är lösligt i vattnet. I och med det återförs tidigare fällt aluminium i löst form.

Jämvikter

Några typer av jämvikter

Många kemiska reaktioner kan gå åt två håll. De är reversibla. När en reaktion "ställt in sig" så att det med blotta ögat ser ut som det inte händer något kan reaktionen ha nått så kallad kemisk jämvikt. Detta är ur energisynpunkt ett fördelaktigt läge. Reversibla reaktioner är vanliga inom den organiska kemin.

I ett homogent system, där man har en enda fas, talar man om homogen jämvikt. Heterogen jämvikt sker över flera faser, till exempel två ej blandbara vätskor. Ett exempel är extraktion av jod ur vatten. Då kan man blanda i koltetraklorid och jodmolekylerna väljer att vara i mycket högre utsträckning (85,5 gånger fler) i koltetrakloridfasen.

En annan jämvikt som är av yttersta betydelse för allt levande är redoxjämvikten mellan kol och syre. Livet på jorden vilar på att det inte är i jämvikt och trögheten i systemet.

Om man har en flaska med vatten där locket är på kommer mängden vattenmolekyler som är i gasfas (vattenånga) respektive vätskefas inte att ändras, så kallad fasjämvikt. Däremot kommer det att ske ett ständigt utbyte mellan faserna och molekyler kommer att vandra mellan gas och vätska. Detta är en så kallad dynamisk jämvikt.

Jämviktskonstant med ättiksyra som exempel

I ett annat exempel kan ättiksyra (CH3COOH, kan skrivas HAc) reagera med vatten, ge bort sin proton och bilda acetatjoner (CH3COO, kan skrivas Ac) och vattnet bildar oxoniumjoner (H3O+). Så snart oxoniumjoner har bildats kommer det att ske en reaktion åt motsatt håll, det vill säga acetatjoner och oxoniumjoner reagerar och blir vatten och ättiksyra. Dynamisk jämvikt kallas det tillstånd när reaktionen sker lika snabbt i båda riktningarna.

HAc + H2O ⇄ Ac + H3O+

Det går att räkna ut en jämviktskonstant för reaktionen. Ekvationen för att räkna ut jämviktskonstanten är internationell standard, där hakparentesen [..] anger koncentrationen av respektive partikelslag:

K = ([Ac]·[H3O+]) / ([HAc]·[H2O])

Värdet på K är oberoende av vilka koncentrationer som finns i början av reaktionen. Koncentrationerna vid tiden t, innan jämvikt har hunnit ställa in sig, kan tecknas som kvoten Q:

Q = ([Ac]t·[H3O+]t) / ([HAc]t·[H2O]t)

Reaktionen kommer att ske i den riktning där de aktuella koncentrationerna ändras så att kvoten Q går mot K.

Om man vill förskjuta jämvikten kan man ändra koncentrationen av något partikelslag som är med i reaktionen. Då kommer jämvikten att ställa in sig på nytt och försöka att motverka (förbruka) det ämne som tillsatts extra. Ett annat sätt att ljustera reaktionen kan vara att ändra tryck eller temperatur. Även här kommer reaktionen att förskjutas på ett sådant sätt som gör att tryck eller temperaturförändringen motverkas. Om till exempel en reaktion är endoterm åt ena hållet kommer den att gå åt det hållet om de reagerande ämnena värms.

En katalysator däremot gör inte att jämvikten förskjuts utan ökar bara hastigheterna i reaktionerna. Det innebär att jämvikt inställer sig snabbare.

Koppling mellan jämvikterna i detta experiment

Homogena jämvikter

I experimentet har vi en rad jämvikter mellan komplex av aluminiumjonen i lösning, dvs. jämvikten [Al(H2O)6] ⇄ [Al(H2O)5(OH)]2+, jämvikten [Al(H2O)5(OH)]2+ ⇄ [Al(H2O)5(OH)2]+ osv. För var och en av dessa jämvikter finns en jämviktskonstant. Den procentuella fördelningen av species [Al(H2O)6], [Al(H2O)5(OH)]2+, [Al(H2O)5(OH)2]+, Al(H2O)3(OH)3 osv. är alltid densamma oberoende av totalhalten aluminium.

Heterogen jämvikt

Men en av dessa species är svårlöslig, nämligen Al(H2O)3(OH)3. När pH är sådant att en ganska stor del av aluminiumet förekommer i denna form, så överskrids löslighetsgränsen och asluminiumhydroxid faller ut som fast salt. Det fällda saltet står i löslighetsjämvikt med samma species i lösning, Al(H2O)3(OH)3(s) ⇄ Al(H2O)3(OH)3(aq). Detta är den heterogena jämvikten mellan fast och löst form.

Kopplingen mellan homogen och heterogen jämvikt

Lösningen tappas på en stor del av sitt lösta aluminium när aluminiumhydroxiden faller ut. Lösningen upprätthåller dock fortfarande sin procentuella fördelning mellan lösta species, men totalhalterna är lägre på grund av kopplingen till den heterogena jämvikten.

Aluminiumsulfat

Aluminiums protolysjämvikter

Aluminiumsulfat, Al2(SO4)3·16H2O, är ett salt som förekommer naturligt som mineral, men kan också framställas genom att lera och andra jordarter behandlas med svavelsyra. Det används för vattenrening och som betningsmedel vid färgning av textilier. Aluminiumsulfat används också i den del antiperspiranter (medel mot svettning).

sur miljö  Al3+(aq) 
pH 5,0  AlOH2+(aq) 
pH 5,8  Al(OH)2+(aq) 
pH 6,3  Al(OH)3(s) 
basisk miljö  Al(OH)4-(aq) 

Aluminiumjonen i vattenlösning hydratiseras till Al(H2O)63+. Den höga positiva laddningen hos centralatomen stöter bort väteatomerna i vattnet så att en protolys kan ske enligt
Al(H2O)63+ → [Al(H2O)5(OH)]2+ + H+.
Aluminiumjonen i lösning ger alltså sur reaktion.

Aluminiumjonen bildar lätt komplex tillsammans med hydroxid i en lösning. Den enklaste varianten är aluminiumhydroxid (Al(OH)3) som är svårlöslig i vatten på grund av avsaknaden av nettoladdning. Men ett varierande antal hydroxidjonen kan bindas till centralatomen. Vilket antal hydroxid som företrädesvis binds beror på lösningens pH. Man kan se det hela som ett antal protolyssteg med följande pKa-värden:

Den hydratiserade aluminiumjonens protolyssteg pKa
[Al(H2O)6]3+ + H2O [Al(H2O)5(OH)]2+ + H3O+ 5,00
[Al(H2O)5(OH)]2+ + H2O [Al(H2O)4(OH)2]+ + H3O+ 5,10
[Al(H2O)4(OH)2]+ + H2O Al(H2O)3(OH)3 + H3O+ 6,80
[Al(H2O)3(OH)3]+ + H2O [Al(H2O)2(OH)4] + H3O+ 5,80

Ur jämviktsekvationerna för de kopplade protolysstegen och pKa-värdena får man följande diagram:

Fördelningen av lösta species av aluminium som funktion av pH
Bild: © Svante Åberg

Som synes är pH 6,3 optimalt för att aluminium ska falla ut som Al(OH)3(s). Genom tillsats av natriumkarbonat till den ursprungligen sura lösningen med aluminiumjoner uppnås ett lämpligt pH så att flockarna med aluminiumhydroxid bildas. Diagrammet ovan visar fördelningen av species i lösning. Al(OH)3 är mycket svårlöslig med löslighetsprodukten 2·10-32 M4. När den faller ut ur lösningen, så ingår den inte längre i fördelningen mellan lösta species. Men fördelningen återställs genom att Al(OH)3(aq) nybildas ur övriga species. Det hela har till resultat att utfällningen dränerar lösningen på aluminium till mycket låga nivåer.

Aluminiumjoner för vattenrening

När man ska rena vatten är det främst partiklar och färg man vill få bort. Många av dessa partiklar är så små att de "svävar" i en lösning mycket länge innan de når botten på en bassäng i ett reningsverk och kan fångas upp. Enligt Stokes lag är en partikels sedimentationshastighet är beroende på vattnets viskositet, partikelns densitet och dess storlek. Därför försöker man få partiklarna att klumpa ihop den med flera andra partiklar. Partiklarna är på ytan negativt laddade och stöter därför ifrån varandra vilket gör att de inte självmant klumpar ihop sig. Aluminiums positiva laddning neutraliserar de negativa partiklarna och så kallade flockar kan bildas och sjunka till botten.

Negativa ytladdningar på kolloiderna får dem att repelleras från varandra.Aluminiumjonerna neutraliserar ytladdningarna. Van der Waalskrafterna gör att partiklarna attraheras till varandra och klumpar ihop sig.
Bild: © Svante Åberg

Det är aluminiumets förmåga att kunna ha hög positiv laddning och att den är en relativt billig som gör att den används i vattenreningsverk. I detta experiment ser vi att det optimala pH-intervallet för att använda aluminium är mellan pH 6.2 -6.7, vilket också är det pH som man har i reningsverk som använder aluminium som flockningsmedel.

Aluminium i naturen - ett miljöproblem

Aluminium är den vanligaste metallen i jordskorpan och utgör cirka 8,3 % av massan. Bara grundämnena syre och kisel är vanligare i jordskorpan. Aluminium är alltid bundet till andra grundämnen och få levande ting behöver aluminium för sin existens. Däremot finns aluminium som ingrediens i många mineraler. En av dessa är bauxit, som också är den vanligaste råvaran vid framställning av rent aluminium.

När aluminium ingår i olika mineraler skadar det inte naturen. Det är när den är i jonform som den blir biologiskt aktiv. Den beter sig olika beroende på vilken laddning den har. När pH sjunker, vid till exempel surt regn, frigörs metallen och kan transporteras ut till sjöar och hav. Den kan då också vid markytan komplexbinda till olika organiska ämnen. När vattnet sjunker undan kan pH ändras i de olika markskikten och aluminium kan omformas till olika oorganiska aluminiumföreningar. Dessa skadar ofta rötter på växter och i sjöar kan relativt låga halter av aluminium skada fiskar. Detta sker när aluminium faller ut, som aluminiumhydroxid, på fiskarnas gälar och gör att de får svårt att andas. Aluminium har även annan toxisk påverkan på biologiska system, det påverkar även en del enzymer genom att konkurrera ut magnesium som enzymet behöver.

Fördjupning

Aluminium

Allmänt och historia

Grundämne Massprocent
Syre (O) 49,4 %
Kisel (Si) 16,3 %
Aluminium (Al) 7,5 %
Järn (Fe) 4,7 %

Aluminium är den vanligaste metallen i jordskorpan, och det tredje vanligaste grundämnet. Trots att metallen är vanlig har man inte använt den så länge. Järn, som är mindre vanlig har ju använts sedan forntiden.

Först 1825 lyckades dansken Örsted renframställa aluminium. Det var länge en dyr och exklusiv metall. Mot slutet av 1800-talet började man framställa aluminium elektrokemiskt (på liknande sätt som idag), och så småningom blev aluminium en användbar vardagsmetall. Metoden är dock mycket energikrävande, varför man bör återvinna aluminiummetall av miljöskäl. Aluminium framställs ur ett aluminiummineral, bauxit, som fått namn efter Les Baux i södra Frankrike. Bauxiten består av AlO(OH).

Egenskaper

Aluminium är en mycket användbar metall, den har låg densitet, den är mjuk och lätt att forma. Den har hög elektrisk ledningsförmåga och den kan lödas och svetsas. För att öka hållfastheten legeras den ofta med små mängder av andra metaller, t.ex. mangan, zink eller magnesium. Aluminium är dessutom beständig mot korrosion. Syret i luften bildar ett oxidskikt på metallytan. Det är 1·10-8 m tjockt, men är så tätt att det skyddar bra mot korrosion.

Användning

De goda egenskaperna gör aluminium mycket användbar.

Mijöaspekter

Aluminium är en metall som kräver stora energimängder för att framställas. Men energiåtgången vid återanvändning (omsmältning) är betydligt mindre, bara 5 % av det totala energibehovet för processen. Aluminium har många bra egenskaper som gör den användbar och hållbar. Dessutom är den lätt, vilket ger energivinster t.ex. vid konstruktioner och transporter. Anodisering av aluminium ger ytterligare fördelar som ökar användningsområdet och livslängden. T.ex ett ökat korrosionsskydd, bättre motstånd mot slitage, ett attraktivt utseende.

Jämfört med andra ytbehandlingsmetoder har anodisering mindre miljöpåverkan, under förutsättning att spillvatten från processen och färgningen tas om hand och renas. En anodiserad aluminiumbit som blir liggande i naturen har inte någon påverkan på omgivningen. Om insamling och omsmältning av aluminium fungerar bra, så är anodiserad aluminium ett material som är både miljövänligt och resursbevarande.

Framställning av aluminium

Bauxitmineralet AlO(OH) överförs till aluminiumoxid Al2O3,(smältpunkt 2050 °C). Aluminiumoxiden löses i en smälta av kryolit, Na3AlF6. Där sker en smältelektrolys med kolstavar som anod och ugnsbotten som katod (även den av kol).

vid katoden (reduktion): Al3+ + 3 e- Al
vid anoden (oxidation): 2 O2- + C(s) CO2(g) + 4 e-
Totalreaktion: 2 Al2O3 4Al + CO2

Genom denna elektrolys får man en aluminiumhalt på 99,5 %.

Framställning av alumiunium genom elektrolys i Hall-Héroult-processen
Bild: © Svante Åberg

Processen är mycket energikrävande och för att framställa ett kg aluminium behövs 14 kWh elenergi. I Sverige produceras aluminium enbart i Sundsvall, och den industrin använder elenergi motsvarande 1,2 % av Sveriges elkonsumtion.

Eftersom aluminium är en så lätt metall gör man stora energivinster genom att använda den, jämfört med andra tyngre metaller, t.ex. järn. Dessutom är den mycket lätt att återanvända. För omsmältning krävs bara 5 % av den energi som behövs till framställningen. Det är därför viktigt att insamlingen av t.ex. burkar fungerar bra.

Hydratiserade joner

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Exempel på hur joner är hydratiserade,
dvs. omges av skal av vattenmolekyler.
Bild: © Svante Åberg

Vattenmolekyler är dipoler och bildar jon-dipolbindning i saltlösningar. Dipolen vänder sig så att den laddning som är motsatt jonens kommer närmast jonen eftersom det är den del som attraheras starkast. På grund av närheten till jonen är attraktionen av den motsatta laddningen starkare är repulsionen av laddningen med lika tecken som jonen. Därför blir det en nettoattraktion mellan jonen och dipolen.

Eftersom dipolmolekylen som helhet är elektriskt neutral får det bildade komplexet samma laddning som den enkla jonen. Eftersom det finns plats för flera vattenmolekyler kring varje jon, så omges jonerna av ett skal av vattenmolekyler. Man säger att jonerna är hydratiserade och bildar akvajoner (akvajon = jon som bundit vatten som ligander; ligand = molekyl som binds till centralatomen).

Bindningsenergin för jon-dipolbindning är alltid mycket mindre än för jon-jonbindning. När avståndet ökar, går också attraktionsenergin för den förra bindningstypen snabbare mot noll än för den senare typen. De första dipolmolekylerna som binds till en jon attraheras naturligtvis tills de kommer i kontakt med jonen. Härigenom bildas en inre sfär ("skal") av bundna ligander. Om ligander finns i tillräcklig mängd (t.ex. om jonen befinner sig i en lösning där lösningsmedlet utgörs av ligandmolekyler), binds de ofta även i ett eller flera yttre skal. Jonen kommer då att omges av ett moln av ligander som åtminstone i sina yttre delar är ganska odefinierat. Bindningsstyrkan för liganderna avtar med avståndet från centralatomen.

Den hydratiserade jonen är mycket större än vattenmolekylerna

Den nakna metalljonen är ungefär lika stor som en vattenmolekyl. Men den hydratiserade jonen är mycket större än vattenmolekylerna.

Den hydratiserade jonen fungerar som en stor partikel. Det medför att de hydratiserade jonerna inte kan passera genom semipermeabla (halvgenomsläppliga) membran. Däremot kan de fria vattenmolekylerna passera genom det semipermeabla membranet. Detta sker till exempel vid dialys. Ett annat exempel är när dricksvatten framställs ur havsvatten med omvänd osmos. Genom högt tryck tvingar man vattenmolekylerna att passera genom membranet, men de hydratiserade saltjonerna hindras. På andra sidan membranet kommer då ut rent vatten.

Koordinationskomplex

Kring en centralatom eller jon, ofta en metalljon, binds ofta molekyler eller joner som finns i den omgivande lösningen. Till exempel har man i en lösning med koppar(II)klorid kopparjoner (Cu2+) som binder ett antal kloridjoner (Cl). Utrymmet närmast kopparjonen är begränsat. Därför ryms det upp till 4 kloridjoner kring kopparjonen. Ett sådant komplex kallas koordinationskomplex och de partiklar som binds till centralatomen/jonen kallas ligander. Kloridjonen är alltså ligand.

Det finns många möjliga ligander. Ofta är lösnlingsmedelsmolekylerna ligander eftersom de är så vanliga i lösningen. Vatten (H2O) binds ofta till centraljonen och bildar ett hydratiseringsskal kring jonen. Utöver vatten (H2O) och klorid (Cl), så är ammoniak (NH3), hydroxid (OH), cyanid (CN), oxalat (COO)22- exempel på några ligander.

Koncentrationen påverkar hur många ligander som binds

Koncentrationen av de partiklar som kan fungera som ligander påverkar hur många ligander som i genomsnitt binds till centralatomerna. I en mycket utspädd lösning av kopparklorid (CuCl2) är kloridjonerna mycket ovanliga, men molekylerna av lösningsmedlet (H2O) mycket vanliga. Chansen för kopparjonen att hitta en kloridjon är därför liten. I stället binder kopparjonen vattenmolekyler som ligander och koordinationskomplexet blir [Cu(H2O)6]2+. Det ryms alltså 6 vattenmolekyler kring den centrala kopparjonen. Koordinationstalet är alltså 6 för vatten kring kopparjonen.

När koppar(II)kloriden späds med vatten byts kloridliganderna ut mot vatten och färgen övergår från grönt till blått.
Bild: CC

Om koncentrationen av kopparklorid ökar, så blir kloridjonerna vanligare. Då blir det också vanligare att kopparjoner binder en kloridjon så att koordinationskomplexet [CuCl]+ bildas. Formeln anger inte antalet vatten som också koordinerar till kopparjonen, men det finns också vattenmolekyler som binder. Därför är en mer komplett formel för komplexet [CuCl(H2O)5]+ om koordinationstalet fortfarande är 6. En kloridjon har ersatt en vattenmolekyl. På grund av kloridjonens minusladdning är komplexets laddning bara +, inte 2+ som det rena akvakomplexet hade.

Vid ytterligare högre koncentration av kopparkloriden ökar antalet kloridjoner som ligander. Som mest binder 4 kloridjoner till den centrala kopparjonen. Koordinationstalet har därför minskat från 6 till 4. Kloridjonerna är nämligen mer skrymmande (c:a 3.62 Å diameter) än vattenmolekylerna (c:a 2.75 Å diameter). Formeln för komplexet blir [CuCl4]2–, eller helt enkelt CuCl42–.

Akvakomplexet för koppar är vackert blått, men kloridkomplexet går mera i grönt. Om du har saltet koppar(II)klorid och tillsätter lite vatten i taget för att lösa saltet, så får du först den vackert gröna färgen för kloridkomplexet. Så småningom övergår färgen till blått när lösningen blir mera utspädd.

Oladdade komplex har lägre löslighet i vatten

En intressant sak är att lösligheten i vatten för komplex minskar drastiskt när komplexet är oladdat. När den tvåvärda kopparjonen koordinerar två stycken av de envärda kloridjonerna, så blir totalladdningen noll, dvs.
Cu2+ + 2 Cl ⇄ CuCl2

Lösligheten följer principen ”lika löser lika”. Eftersom vatten är ett starkt polärt ämne, så löser sig joner i vattnet lättare än oladdade partiklar.

Korrosion av aluminium

Aluminium är en mycket oädel metall, men samtidigt korrosionsbeständig. Det låter som en motsägelse.

Att metallen verkligen är reaktiv kan man se om aluminiumpulver blandas med vatten. Aluminiumet reagerar med vattnet under bildning av aluminiumhydroxid och vätgas. Reaktionen är starkt exoterm, dvs. den sker under stark värmeutveckling:
Al(s) + 3 H2O(l) → Al(OH)3 + 3 H2(g)

En sak att vara uppmärksam på är risken att aluminiumpulver kan självantändas. Om du torkar upp aluminiumpulver med en fuktig pappershandduk och slänger den i papperskorgen så kanske du har förutsättningar för självantändning och eldsvåda.

Men i normala fall skyddas aluminium av en tät oxidhinna som bildas i kontakt med luftens syre eller med vatten. Den täta oxidhinnan passiverar metallen så att vidare reaktion stoppas. Därför är aluminium ett utmärkt konstruktionsmaterial som tål väder och vind.

Atmosfärisk korrosion

Atmosfärisk korrosion sker i luft, men luften kan vara torr eller fuktig, eller innehålla föroreningar som påverkar processerna. Om det finns sprickor i materialet kan fukt som tränger in bli kvar länge och därför påskynda korrosionen.

Allmän korrosion

En allmän, jämt fördelad korrosion sker i vattenlösningar där pH antingen är mycket högt eller mycket lågt. Höga och låga pH skadar det skyddande oxidskiktet så att den underliggande metallen blottas.

Galvanisk korrosion

Galvanisk korrosion uppstår när aluminiumet är i kontakt med en annan mer ädel metall så att det bildas ett galvaniskt element, dvs. en typ av batteri som får en elektrisk ström att orsaka en elektrokemisk reaktion. Aluminiumet blir anod och löses upp när det avger elektroner och bildar joner.

Spaltkorrosion

Spaltkorrosion i aluminium
Bild: © Svante Åberg

Spalter finns oftast där två aluminiumbitar sammanfogas, men kan även uppstå vid spänningar och utmattning i materialet. Spaltkorrosion uppstår när saltvatten tränger in i smala springor. Dessutom behövs syre, men syret reagerar inte inuti spalten, utan på den lätt åtkomliga metallytan.

Det syre som följer med saltvattnet in i sprickan reagerar och förbrukas. Därför sker inte vidare oxidation inuti spalten. I stället sker oxidation av aluminiumet genom att elektroner som avges vandrar genom det metalliska aluminiumet ut till den lätt åtkomliga delen av metallen där syretillgången är god. Oxidationen av aluminiumet sker alltså inuti sprickan:
Al(s) → Al3+ + 3 e

Reduktionen av syre sker på den exponerade ytan av metallen:
O2(aq) + 2 H2O(l) + 4 e → 4 OH

Aluminiumjoner som läcker ut ur sprickan möter hydroxidjonerna som bildas när syret reduceras. Då bildas svårlöslig aluminiumhydroxid:
Al3+ + 3 OH → Al(OH)3(s)

Inuti sprickan måste aluminiumjonernas positiva laddning neutraliseras av lika många minusladdningar. Kloridjoner från saltvattnet utanför spalten migrerar därför in i spalten.

Det finns också en jämvikt mellan aluminiumjoner och vatten som ger vätejoner så att pH i spalten sjunker. Koordinationstalet är 6 vatten i hydratiseringsskalet kring aluminiumjonen. En eller flera av dessa vatten kan avge en vätejon som tillsammans med ett fritt vatten bildar en oxoniumjon H3O+.

Den hydratiserade aluminiumjonens protolyssteg pKa
[Al(H2O)6]3+ + H2O [Al(H2O)5(OH)]2+ + H3O+ 5,00
[Al(H2O)5(OH)]2+ + H2O [Al(H2O)4(OH)2]+ + H3O+ 5,10
[Al(H2O)4(OH)2]+ + H2O Al(H2O)3(OH)3 + H3O+ 6,80
[Al(H2O)3(OH)3]+ + H2O [Al(H2O)2(OH)4]- + H3O+ 5,80

Oxoniumjonen betecknas ofta förenklat med H+. Ju längre spaltkorrosionen pågår, desto surare blir miljön inne i spalten. Det låga pH-värdet skyndar på korrosionen, vilket gör att spaltkorrosionen är ett accelererande problem.

Gropfrätning

Gropfrätningen påminner mycket om spaltkorrosionen. Den uppstår på passiverade aluminiumytor som är täckta av det täta skyddande oxidlagret, men där en liten skada ger kloridjoner i vattenlösningen kontakt med metallen. Ofta är det i gränsen mellan kristallkorn i materialet eller inslag av partiklar med annat material som skapar dessa defekter där korrosionen kan börja.

Gropen fördjupas och vidgas av korrosionen, som sänker pH och tillsammans med ytterligare kloridjoner accelererar angreppet. Kloridjoner bidrar till korrosionen genom att de bildar komplex med aluminiumjonerna. Drivkraften att bilda aluminiumkloridkomplex bidrar till att ”slita loss” joner ur metallen.

För att gropfrätning på aluminium ska ske måste den elektrokemiska potentialen ligga över den så kallade ”pitting potential”.

Utfällningskorrosion

Om vattenlösningen som är i kontakt med aluminiumet innehåller metalljoner av en ädlare metall än aluminium så sker en utfällning av den ädlare metallen samtidigt som aluminium löses upp. Om till exempel vattenlösningen innehåller kopparjoner sker följande:
Oxidation: Cu2+ + 2 e → Cu(s)
Reduktion: Al(s) → Al3+ + 3 e

När redoxreaktionen balanseras så att lika många elektroner avges och tas upp blir totalreaktionen:
3 Cu2+ + 2 Al(s) → 3 Cu(s) + 2 Al3+

När den ädlare metallen faller ut på ytan av aluminiumet skapas ett galvaniskt element som sedan ger galvanisk korrosion. Det räcker med att mycket små mängde av den ädlare metallen ska falla ut på aluminiumet för att den galvaniska korrosionen ska orsaka mycket stora problem.

Vanliga ädla metaller som kan orsaka utfällningskorrosion är koppar, bly, kvicksilver, nickel och tenn. Jonerna av dessa metall är lättlösliga vid låga pH, men svårlösliga vid höga pH. Högt pH kan därför sänka halten av dessa metalljoner så att utfällningskorrosionen inte sker. Men vid låga pH är utfällningskorrosion sannolik på grund av högre halter av den ädlare metallen.

Övrig korrosion

Det finns många fler varianter av korrosion. Många av dem är besläktade med dem som beskrivits ovan. Till exempel kan utmattning i materialet ge sprickor som ger spaltkorrosion. Spänningar i materialet ger energi som kan bidra till korrosionsreaktionen. Olika material och varierande koncentrationer kan ge former av galvanisk korrosion.

Löslighet

När atomer eller molekyler av ett ämne blandas på atom-/jon-/molekylnivå med ett annat ämne, så säger man att ämnet löser sig. Både fasta, flytande och gasformiga ämnen kan gå i lösning på detta sätt. Ämnet som tar emot partiklarna som löser sig, och som förekommer i större mängd, kallas lösningsmedel.

Exempel på lösningar är:

En lösning behöver alltså inte vara en vätska. Det finns både fasta, flytande och gasformiga lösningar.

Begränsad löslighet

Ofta är lösligheten begränsad. Det har att göra med den jämvikt som uppstår mellan ämnet i lösning och samma ämne i ren form. Till exempel löser sig koksalt i vatten upp till 36 g per 100 ml (motsvarande 26 vikts-%) vid 20 °C.

Jonerna i den fasta natriumkloriden löser sig med jämn hastighet, vilket tenderar till att öka koncentrationen av löst ämne. Men den motsatta reaktioner sker också. Natrium- och kloridjonerna i lösningen faller ut som fast natriumklorid. Den hastighet med vilken saltet faller ut beror på hur ofta natrium- och kloridjoner stöter på varandra i lösningen. Därför ökar utfällningen av salt med koncentrationen i natriumkloridlösningen. Vid 26 vikts-% NaCl är utfällningen lika snabb som upplösningen av koksaltet. Då sker ingen nettoförändring. Man har en dynamisk jämvikt där lösningen är mättad, dvs. innehåller maximal mängd koksalt.

Obegränsad blandbarhet

Ibland är lösligheten obegränsad och det lösta ämnet och lösningsmedlet är fullständigt blandbara i alla koncentrationer. Exempel på detta är etanol i vatten. Vilken proportion av etanol och vatten du än blandar, så kommer du att få en homogen lösning, dvs. en enda fas. Du kommer inte att se någon fasgräns mellan ämnena.

Lösning av gasformiga partiklar i en annan gas har alltid obegränsad blandbarhet. Det beror på att i en gas så är partiklarna så långt ifrån varandra att de inte påverkas av några attraktionskrafter som tenderar att klumpa samman ämnena i aggregat. Alla atomer/molekyler rör sig helt fritt i gaslösningen.

Bindningskrafterna avgör lösligheten - "Lika löser lika"

När det finns ett löst ämne och ett lösningsmedel, så finns det tre alternativa bindningar som kan uppstå mellan partiklarna (atomerna/molekylerna/jonerna):

Man brukar använda en tumregel: "Lika löser lika". Det syftar på polariteten, dvs. laddningen hos partiklarna. Ämnen löser sig lättast i varandra om de är ungefär lika polära. Vi ska förklara hur detta kommer sig.

Vatten är en starkt polärt ämne. Visserligen är molekylen som helhet oladdad, men det finns en laddningsförskjutning så att syreatomen är negativ och väteatomerna positiva. Två vattenmolekyler binder varandra ganska starkt genom att syret i den ena molekylen lägger sig nära vätet i den andra vattenmolekylen. Den negativa och positiva laddningen attraherar varandra. Vatten binder alltså varandra ganska starkt.

Kolvätena i bensin är ett mycket opolära. Kolvätena är oladdade molekyler som inte heller har någon laddningsförskjutning inom sig i molekylen. Det gör att kolväten bara binder varandra svagt med hjälp av Londonkrafter (Van der Waals-krafter).

Ju starkare bindningen är, desto större chans är det att partiklarna ska klumpa sig samman. Vatten i blandning med bensin ger mycket dålig löslighet. Vattenmolekylerna klumpar samman sig med sina starka krafter och bildar en egen fas. Kolvätemolekylerna blir över och bildar en annan fas. Kolvätena bildar inte en egen fas på grund av attraktion mellan kolvätena, utan därför att de inte få vara tillsammans med vattnet. De blir så att säga ratade av vattenmolekylerna.

Om två ämnen inte har samma polaritet, men ändå inte skiljer sig åt alltför mycket, så får de en god löslighet även om den är begränsad. En möjlighet att lösa ett ämne är därför att använda lösningsmedel i flera steg. Om du till exempel har fått smutsig motorolja på händerna, så är det svårt att tvätta bort med tvål. Motoroljan är alltför opolär för att tvålen riktigt ska kunna lösa den. I ett första steg kan du då smörja händerna med margarin, som är opolärt. Oljan löser sig i margarinet. I nästa steg tvättar du bort margarinet med hjälp av tvål och vatten. Oljan som är löst i margarinet följer då med margarinet när det tvättas bort med vatten.

Utfällning

Utfällning är den process som gör att ett löst ämne övergår till fast form och bildar en egen, fast fas. Det ämne som bildar fast form kallas helt enkelt fällning. Vätskan som blir kvar kallas med ett finare ord för supernat.

Orsaken till att fällning bildas är alltid att lösligheten för ämnet överskrids. Men vad som gör att lösligheten överskrids kan bero på flera saker:

Det händer att de utfällda partiklarna är så små att de inte sjunker till botten inom rimlig tid. Då får man en suspension som känns igen på att den är grumlig. Men om man centrifugerar suspensionen, så kan man få fällningen att sjunka till botten. Ovanför finns då den klara lösningen.

material på grundnivå kommer att läggas in här

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Jämvikt

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

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

A ⇄ B

En liknelse för att förklara jämvikten

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

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

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

Vi öppnar kranen

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


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

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

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

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

Vi ändrar flödet

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

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

Exempel på jämvikter

Esterjämvikten

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

alkohol + syra → ester + vatten

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

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

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

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Löslighetsjämvikt

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

NaCl(s) ⇄ Na+ + Cl

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

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

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

Jämviktsläget

Massverkans lag

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

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

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

Sannolikheten för kemisk reaktion vid en kollision

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

Aktiveringsenergin måste övervinnas för att reaktion ska ske

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

När energinivåerna skiljer, så påverkar det jämviktsläget

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

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

Jämviktskonstanten är ett mått på jämviktsläget

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

2 H2 + O2 ⇄ 2 H2O, K = 3,2·1081 M–1

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

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

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

alkohol + syra ⇄ ester + vatten, K ≈ 4

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.

Litteratur

  1. Main page, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Main_Page (2006-11-28)
  2. Protolysis of an Aluminium Salt, Experiments on the Web
    http://www.cci.ethz.ch/mainmov.html?expnum=19&ismovie=2&picnum=-1&control=0&language=1 (2000-11-28)
  3. Aluminium solubility, Cornell University
    http://ceeserver.cee.cornell.edu/mw24/projects/SSF/alsol/aluminumsolubility.htm (2000-11-28)
  4. Jämviktsdiagram, Maria Malmström, Kungliga Tekniska Högskolan (KTH)
    http://www.kemi.kth.se/utbildning/gk/kemiskjmv/jv_diagram_gm.pdf (2000-11-28)
  5. Aluminiumlöslighet i skogsmark, Kungliga Tekniska Högskolan (KTH)
    http://www.lwr.kth.se/forskargrupper/EGC/aluminium.htm (2000-11-28)
  6. Grundkurs i kemisk fällning, Kemira Kemwater
    http://www.kemira.com/water_treatment_Sweden/svenska/Kemisk_fallning/
    Grundkurs_kemisk_fallning/ (2000-11-28)
  7. Alternativa fällningskemikalier, Daniel Persson
    http://www3.ima.kth.se/ImaExt/Upload/Dokument/examensarbete%20daniel%20persson%20slutverision1.doc (2000-11-28)

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
Syrehalten i luft
Tillverka en parfym och gör doftande skraplotter
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenvulkan
Ägget i flaskan

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

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

vardagens kemi
Att döda bakterier - kan Klorin & Javex va´ nå´t?
Bestäm CMC för diskmedel
Blev disken ren?
Coca-Cola vs Coca-Cola light
Den bästa bulldegen
Den omöjliga tvålen - den är preparerad!
Diska med äggula
Eld - varför brinner det?
Eldprovet
Enzymaktivitet i ananas
Enzymer i Tvättmedel
Ett gammalt tvättmedel, del 1: Salt ur björkaska
Ett gammalt tvättmedel, del 2: Tvål ur saltet
Ett målande experiment - att rengöra en målarpensel
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Framställ en detergent
Framställ låglaktosmjölk
Fruktköttet får solbränna
Färga ullgarn med svampar
Färgämnen i M&M
Gore-Tex, materialet som andas
Gör din egen limfärg
Gör din egen tandkräm
Gör ditt eget läppcerat
Gör hårt vatten mjukt
Göra lim av kasein
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur gör man kakan porös?
Hur moget är äpplet?
Hur smakar salmiak?
Håller bubblan?
Karbidlampan
Kemi i en brustablett
Kemisk vattenrening
Majonnäs - en emulsion
Maskrosen som krullar sig
Modellmassa av mjölk
Myggmedel - hur funkar det?
Målarfärgens vattengenomsläpplighet
När flyter potatisen?
Olja som lösningsmedel
Optiska Vitmedel
Osmos i ett ägg
Osynlig gas
Pektin och marmeladkokning
Pelargonens färg
Permanenta håret
Pulversläckare
Rengöra silver
Rostbildning och rostskydd
Skär sig majonnäsen?
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Superabsorbenter i blöjor
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Såpbubblor
Tillverka din egen deodorant
Tillverka din egen glidvalla
Tillverka din egen tvål, del 1: Själva tvålen
Tillverka din egen tvål, del 2: Parfymera och färga tvålen
Tillverka ditt eget läppstift
Tillverka Falu rödfärg enligt gammalt recept
Tillverka papperslim
Tillverka rengöringskräm
Tvätta i hårt vatten
Utvinna järn ur järnberikade flingor
Vad händer då något brinner?
Vad händer när degen jäser?
Vad innehåller mjölk?
Vad är det i saltet som smakar salt?
Vad är skillnaden mellan maskin- och handdiskmedel?
Varför färgas textiler olika?
Varför kan man steka i smör och olja men inte i lättprodukter?
Varför mörknar en banans skal?
Varför rostar järn och hur kan man förhindra det?
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför svider det i ögonen när man skalar lök?
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening
Visa ytspänning med kanel
Vispa grädde
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten
Ägget i flaskan
Ärg på en kopparslant
Äta frusen potatis