Fakta del 2

Tillhör kategori: urval experiment under revidering

Författare:

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

Tid för förberedelse: Försumbart

Tid för genomförande: Försumbart

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

...

Riktlinjer

...

Säkerhet

...

Materiel

...

Förarbete

...

Utförande

...

Förklaring

...

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Här redigerar jag material specifikt för detta experiment, sådant som inte ingår i databasen.

Fördjupning

Kemiska ämnesgrupper

material på grundnivå kommer att läggas in här

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Kemiskt ämne

Ett kemiskt ämne är materia som har en väldefinierad kemisk sammansättning. Det innebär att det kemiska ämnet har en bestämd kemisk formel. Eftersom det kemiska ämnet består av identiska formelenheter så är också ämnets egenskaper alltid likadana och oföränderliga. Det har ingen betydelse hur det kemiska ämnet bildats, till exempel om det tillverkats på laboratorium eller bildats i en levande varelse - de inneboende egenskaperna är ändå identiska.

I olika miljöer kan egenskaperna ändras tillfälligt. Till exempel så kan ett fast ämne smälta när temperaturen höjs. Men det innebär inte att ämnet som sådant ändrar sina egenskaper. När temperaturen sjunker igen, så får ämnet tillbaka sina egenskaper det hade när det nyss var i fast form. Även finfördelningen av ett ämne kan påverka dess egenskaper tillfälligt. Partiklar i nanoskala får andra egenskaper på grund av att kontakten med annan material blir annorlunda. Men om partiklar i nanoskala smälts om och får bli en fast större klump igen, så får ämnet tillbaka de typiska egenskaperna.

Begreppet kemiskt ämne ska inte förväxlas med begreppet kemikalie, som är något annat. Ordet kemikalie anger att ett ämne har tillverkats med kemiska metoder. Normalt får man ett kemiskt ämne när man tillverkar en kemikalie. Däremot är det inte givet att ett kemiskt ämne är en kemikalie. Till exempel är det kemiska ämnet vatten naturligt och har inte tillverkats på kemisk väg.

Kemiskt arbete

Kemi handlar om ämnenas egenskaper kopplade till hur atomers bindningar. Bindningarna mellan atomerna gör att det kan bildas olika kemiska föreningar, men påverkar också egenskaper som smällt- och kokpunkt, löslighet med mera. När man arbetar med kemi så manipulerar man de kemiska bindningarna genom att låta ämnen reagera med varandra.

Genom århundradena har man lärt sig alltmer om hur man kan få kemiska reaktioner att ske. Exempelvis lärde man sig framställa järn ur järnmalm genom att låta malmen reduceras av kol till smält järn. Det var praktisk erfarenhet som så småningom utvecklades till avancerade arbetsmetoder.

När metoderna utvecklades till vetenskap, så behövdes även teorier för de kemiska reaktionerna och man behövde mäta och dokumentera vad som skedde. Numera använder vi mycket avancerad utrustning för denna typ av arbete.

Ibland är gränsen mellan kemi och andra vetenskaper inte så skarp. Till exempel är fysiken en vetenskap som delvis överlappar kemin. När man studerar atomernas inre uppbyggnad, så ligger det närmare fysiken än kemin, men ändå finns kopplingar till de kemiska egenskaperna. Biologin är också ett område som delvis överlappar kemin. Vårt arvsanlag DNA, proteiner och liknanden är kemiska ämnen, men har samtidigt rent biologiska funktioner.

Kemister arbetar alltmer i projekt som kräver samverkan med andra yrkesgrupper. Miljöarbetet är ett sådant exempel som kräver många olika kompetenser. Frågorna blir allt intressantare när man måste tänka i stora sammanhang och uppgifterna får ofta koppling till praktisk problemlösning.

Fortfarande finns det dock många grundläggande frågor som inte är lösta. Grundforskning handlar om att studera ett fenomen bara för att förstå, men utan att man nödvändigtvis ser någon nytta med det man upptäcker. Men ibland har upptäckterna i grundforskningen revolutionerat utvecklingen. Tänk bara på upptäckten av DNA som har lett till att vi kan börja bota sjukdomar, kartlägga arternas biologiska utveckling, lösa kriminaltekniska mysterier, med mera på ett sätt vi inte tidigare kunde ana.

material på grundnivå kommer att läggas in här

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Densitetsmätningar

Densitet är ett mått på vikten per volymsenhet. Enheten kan vara till exempel kg/dm3, vilket är samma sak som kg/liter. Den kan också vara g/cm3, vilket är samma sak som g/ml.

Att bestämma densiteten hos ett fast föremål

För att bestämma densiteten, så behöver man alltså dels veta vikten, dels volymen för föremålet.

Vikten kan mätas med dynamometer

Det är lätt att ta reda på vikten, eftersom man helt enkelt väger det föremål man vill bestämma. Använd en dynamometer (fjädervåg) och häng upp föremålet i en tunn tråd.

För att mäta föremålets vikt (mluft; enhet g), låter du föremålet hänga fritt i luften. Avläs vikten på dynamometern.

Volymen kan bestämmas med Arkimedes princip

Ett trick är att använda sig av Arkimedes princip, att ett föremål som sänks ned i en vätska påverkas av en lyftkraft lika stor som tyngde av den undanträngda vätska. En lämplig vätska är vatten. Vatten väger nästan exakt 1 g per ml, vilket gör det enkelt att räkna.

För att mäta volymen av det undanträngda vattnet så sänker du ned föremålet i vatten helt och hållet, men fortfarande hängande i dynamometern. Avläs vikten när föremålet är helt nedsänkt i vatten (mvatten; enhet g).

Den avlästa vikten minskar när föremålet sänkt i vatten. Varje gram av viktminskningen motsvarar 1,000 ml vatten. Volymen (V; enhet ml) kan beräknas med formeln
V = [mluftmvatten] (enhet ml)

Beräkna densiteten hos vätskan

Sedan beräknar du densiteten som vikten genom volymen och får densiteten ρ med formeln
ρ = mluft/V (enhet g/ml)

Kommentar: Man kan också hoppa över steget att beräkna volymen och beräkna densiteten direkt med formeln
ρ = mluft/[mluftmvatten] (enhet g/ml)

Att bestämma densiteten hos en vätska

Det är enkelt både att mäta vikt och volym hos en vätska. Du behöver en vanlig våg och ett mätglas.

Ställ ett tomt mätglas på vågen. Nollställ vågen, om den har en sådan funktion. I annat fall noterar du vikten för mätglaset.

Fyll sedan på vätska till den önskade volymen.

Bestäm vikten hos vätskan

Väg på nytt och notera hur mycket vikten har ökat. Om vågen var nollställd vid start, så kan får du vikten av vätska direkt på vågen. I annat fall måste du beräkna skillnaden i vikt för mätglaset med och utan vätska.

Bestäm volymen hos vätskan

När du har ett mätglas, så använder du graderingen på mätglaset för att se volymen. Då bör du tänka på att en vätskeyta brukar vara böjd. Ofta stiger vätskan lite i kontakten med glaset. Den nivå du ska avläsa är vätskeytan i mitten av mätglaset. Tänk på hålla ögat i samma nivå som vätskeytan, så att du inte avläser skalan snett.

Beräkna densiteten hos vätskan

Sedan beräknar du densiteten som vikten genom volymen och får densiteten ρ med formeln
ρ = mluft/V (enhet g/ml)

Särskilda mätinstrument för densitetsbestämningar

Hydrometer

Hydrometer
"Hydrometer" av Qlaz" (CC BY-SA 3.0)

Hydrometern bygger på Arkimedes princip. Det är ett flöte med en tyngd i ena änden som ställer sig upprätt i vätskan. Den övre delen är graderad så att man kan avläsa densiteten i nivå där vätskeytan ligger.

När densiteten är lägre, så sjunker hydrometern djupare. Motsvarande, så flyter hydrometern högre när densiteten är hög.

Syrans densitet (g/ml)+25°C–18°C
1,280100%ca 80%
1,24075%ca 55%
1,20050%ca 30%
1,16025%ca 15%
1,1000%

En vanlig densitetsbestämning är att mäta syrahalten i ett så kallat blybatteri. Blyackumulatorn finns i alla bilar. Den innehåller svavelsyra som ändrar sin densitet beroende på hur uppladdat batteriet är. Man kan därför mäta densiteten hos batterisyran och få en uppfattning om batteriets kondition. Ju högre densiteten är, desto mer laddat är batteriet.

En annan vanlig användning av hydrometern är för att bestämma alkoholhalten i vin. Eftersom en lösning med alkohol och vatten har lägre densitet än rent vatten, så måste hydrometerns skala vara anpassad för lägre densiteter än 1,000 g/ml. Ju mer alkohol som finns i drycken, desto djupare sjunker hydrometern.

Pyknometer

Pyknometer för exakt densitetsmätning.
"Pyknometer" av Gmhofmann" Public Domain Mark

En pyknometer är en glasflaska med mycket exakt volym, till exempel 50,00 ml. Glasflaskan har en precisionsslipad propp som sluter helt tätt, förutom en kapillär i proppens centrum.

Flaskans volym är kalibrerad för en viss temperatur, vanligen rumstemperatur 20 °C. Flaskan ändrar nämligen volym med temperaturen. Ju varmare det är, desto större blir volymen.

Det är möjligt att även mäta densiteten hos ett pulver med en pyknometer. En vanlig densitetsmätning är inte möjlig eftersom det finns mellanrum mellan pulverpartiklarna.

Kartläggning av DNA

Det genetiska arvet

Det har länge varit känt att barn ärver egenskaper från sina föräldrar. Samma sak gäller med djur och växter. Själva arterna trodde man dock var skapade av Gud och i princip oföränderliga.

Men Charles Darwin ifrågasatte detta och menade att nya arter kunde utvecklas genom en gradvis förändring av egenskaperna. Mekanismen för detta var att från en naturlig variation hos individernas egenskaper så selekteras vissa fram genom det naturliga urvalet då de bäst anpassade till sin miljö har större chans att överleva och få avkomma och sprida generna vidare.

Senare insåg man att biologiska varelser egentligen är kemiska maskiner, att de är uppbyggda av kemiska föreningar som samverkar på ett oerhört komplicerat sätt. Man förstod att det genetiska arvet kunde ligga kodad i kroppens molekyler, men det var inte någon självklarhet.

Utvecklingen av ljusmikroskopen gjorde att man kunde redan under 1800-talet se kromosomer i cellens inre. Man började förstå kopplingen mellan kromosomerna och det genetiska arvet.

Ledtrådarna som ledde till DNA:s struktur

Redan under senare delen av 1800-talet lyckades Friedrich Miescher isolera DNA ur celler och börja analysera dess kemiska sammansättning.

Till slut identifierade man DNA i kromosomerna som bärare av generna. Det blev därför angeläget att klarlägga molekylstrukturen för DNA. Det blev ett pussel av information som till slut gjorde att strukturen för DNA kunde bestämmas.

Man kunde visa att DNA var uppbyggt av kvävebaserna Adenin (A), Tymin (T), Cytosin (C), och Guanin (G), av sockerarten deoxyribos, och av fosfatgrupper. Dessa var byggstenarna i DNA, men man visste inte hur de var sammanfogade.

Röntgendiffrationsmönster för DNA
Bild: OpenStax College, Biology, (CC BY 3.0)

Vid den kemiska analysen upptäckte man att proportionerna av kvävebaserna A, T, C och G varierade mellan arter, men inte mellan individer av samma art. Dessutom var mängden A och T alltid lika och mängden C och G var också alltid lika stor: (A = T and G = C). Man kunde dra slutsatsen att A kopplade till T och C kopplade till G.

Den brittiska forskaren Rosalind Franklin var expert på röntgenkristallografi. Det är en metod där man bestrålar prover med röntgentrålar som sprids i ett bestämt mönster beroende på det kemiska ämnets struktur. Hon studerade DNA. Det diffraktionsmönster hon fick visade på en dubbel spiralstruktur.


Strukturen hos DNA
Bild: CCO Madeleine Price Ball, Wikipedia

Den amerikanske biologen James Watson och brittiske fysikern Francis Crick såg Franklins diffraktionsmönster och detta var den avgörande information som gjorde att de år 1953 kunde komma med förslag på DNA-molekylens struktur med dubbelhelix av fosfatgrupper och deoxiribos och med kvävebaser som kopplar samman de två kedjorna i paren A-T och G-C. Basparningen sker med hjälp av vätebindningar.

A-T binds samman med två vätebindningar, G-C binds samman med tre vätebindningar. Eftersom antalet vätebindningar är olika passar inte kvävebaserna i några andra kombinationer.

Nu börjar jakten på kodningen av generna

Det visade sig att DNA-kedjan innehöll instruktioner för syntes av RNA som sedan används för syntes av proteiner. Det är ett komplicerat maskineri av makromolekyler som läser av DNA-kedjan och kopplar ihop proteinerna steg för steg.

Nästa steg i kartläggningen var att tolka koderna. Själva koden för en aminosyra i proteinet består av en kombination att tre baser i DNA. En sådan trippelkombination av kvävebaser kallas kodon och kan liknas vid en bokstav i vårt alfabete. Det finns tre olika kodoner som inte kodar för en aminosyra, utan som betyder "stopp", nämligen TAA, TAG och TGA.

En längre sekvens av kodoner utgör beskrivningen av ett protein. Dessa proteiner har sedan specifika funktioner i kroppen. Sekvensen av kodonerer i DNA bildar en gen som är ett arvsanlag, exempelvis för ögonfärg.

Det var ett mycket mödosamt arbete att analysera basföljden i DNA, dvs. sekvensera DNA. När tekniken för DNA-sekvensering utvecklats tillräckligt så beslöt man att sekvensera hela genomet för människan. Det var en gigantisk uppgift som genomfördes under perioden 1990-2003 i internationellt samarbete i Human Genome Project.

Tekniken för DNA-sekvensering utvecklades i en rasande takt, och nu kan man göra ganska stora DNA-sekvenseringar på bara några dagar. Därför har DNA-analys blivit ett praktiskt användbart redskap för många tillämpningar.

Tillämpning av kunskaperna

Eftersom vårt genom innehåller människans arvsanlag, så har intresset främst riktats mot att förstå medicinska aspekter av generna. När genen kartläggs kan det ge ledtrådar till hur ett medicinskt problem ska behandlas. Andra tillämpningar har att göra med växt- och djurförädling. Ett tredje område är miljöfrågor. Man har till och med jobbat med frågor kring hur utdöda arter ska kunna uppstå igen med hjälp av gammalt DNA som infogas i nu levande arter.

Etiken måste hanteras

Att gå in i levande varelsers genetiska arv för att ändra på egenskaperna är en moraliskt brännande fråga. En liten förändring som gör att man slipper vara sjuk är inte särskilt kontroversiellt, men hur är våra värderingar när man går in och ändrar på individers mer grundläggande egenskaper? Är det önskvärt att skapa supermänniskor? Blir genetiken en sätt för folk med feta plånböcker att skaffa sig övertag över andra? Är det rätt att sortera bort "oönskade individer" redan innan de är födda? Riskerar vi att skapa organismer som vi tappar kontrollen över och som kan få ekosystem att kollapsa?

Andra tillämpningar som inte har att göra med levande varelser är lättare att hantera etiskt. Att stöldskyddmärka sina ägodelar med DNA låter som en bra idé. Att utreda brott med hjälp av DNA-spår borde väl också vara ok, men DNA-register över dömda brottslingar skulle kunna vara en etisk fråga. Vi måste utreda vilka värderingar som ska gälla i vårt samhälle.

När det nu har gått några decennier kan vi se att det finns både argument för och emot genteknik som har varit överdrivna. Med erfarenheterna reder vi successivt ut frågetecken som har oroat. Men det finns också en risk att vi genom tillvänjning sakta börjar acceptera förhållanden som vi tidigare tveklöst skulle har förkastat. Det finns goda anledningar att fortsätta debatten om genteknikens tillämpningar.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Rödkålsindikatorn

Antocyaninernas färger

Rödkål innehåller en stor mängd antocyaniner. De flesta röda, blåa och violetta färgerna i naturen orsakas av antocyaniner. Man kan hitta dem i kronblad, frukter och blad. På hösten när löven förlorar det gröna klorofyllet blir antocyaninerna synliga i de gul/röda löven.

Antocyaninerna är pigment som skyddar växterna från UV-strålning. Produktionen av klorofyll och vax har inte kommit igång hos unga plantor, därför ökar produktionen av antocyaniner för att skydda dem. Antocyaniner bildas i de yttre lagren av epidermis och därför lyckas de skydda växten från DNA skador i cellerna under epidermis.

Antocyaniner har två färgomslag, rött och blått. Antocyaninerna är röda i sur lösning, violetta i nära neutral och blåa i basisk.


Antocyaniner finns i många varianter. Cyanin är en av dem. De fungerar som pH-indikatorer med två olika färgomslag.
Bild: Svante Åberg

Beredning av rödkålsindikator

Det är enkelt att ställa i ordning rödkålsindikator. Strimla en färsk rödkål. Fyll en bägare eller liten kastrull med den strimlade rödkålen och tillsätt vatten så att det precis täcker rödkålen. Värm sedan försiktigt, men utan att koka. Sila sedan av rödkålssaften och häll den på glasburk. Låt svalna. Förvara sedan i kylen.

En variant av beredning är att blanda lika delar 2-propanol och vatten för extraktionen av rödkålssaften. Bered sedan rådkålssaften på samma sätt som beskrivet ovan, man använd blandningen av 2-propanol och vatten i stället för enbart vatten.

Om man vill förvara rödkålssaften riktigt länge, så kan man frysa in den.

Rödkålsindikatorns färger

En fördel med rödkålsindikatorn är att man får en färgskala som gör att man kan avläsa många olika pH-värden över hela skalan. Det beror på att antocyaninerna som man extraherar är en blandning av flera varianter med något olika omslag på pH-skalan. Hur skalan kan se ut ser du nedan. Skalan är ungefärlig eftersom det inte är exakt lika sammansättning av antocyaniner varje gång man bereder rödkålssaften.


När du använder rödkålsindikatorn kan du jämföra med färgskalan ovan. Den ger ett ungefärligt värde på pH i ditt prov.
Bild: Svante Åberg

Att använda rödkålsindikatorn

När man vill mäta pH, så tillsätter man tillräckligt av pH-indikatorn för att man ska kunna se en tydlig färg. Undvik att tillsätta mer indikator än som behövs. Man vill påverka pH så lite som möjligt, och då bör man inte späda ut provet med för mycket indikatorlösning.

Antocyaniner bryts ned i basisk miljö

Antocyaniner bryts ned i en starkt basisk lösning och förlorar då sin färg.


Figuren visar hur cyanidin bryts ned kemiskt vid höga pH. De små molekylerna som bildas är färglösa. (Antocyaniner bryts ned på motsvarande sätt)
Bild: Svante Åberg

När antocyaninerna i rödålsindikatorn bryts ned kvarstår en gul färg. Det beror på att det även finns antoxantin, som är närbesläktad med antocyaninerna. Antoxantiner är ofärgade vid neutrala pH men gula i basiska lösningar. De bryts inte ned vid höga pH. Därför kvarstår en gul färg när antocyaninen brutits ned.


När antocyaninerna bryts ned vid höga pH blir bara det gula pigmentet antoxantin kvar.
Bild: Svante Åberg

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

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

Stärkelse

Fotosyntesen bygger upp en energireserv av stärkelse

Stärkelse bildas i alla växter genom fotosyntesen. Med hjälp av solljusets energi omvandlar det gröna klorofyllet i cellen koldioxid från luften och vatten från rotsystemet till den enkla sockerarten (monosackariden) glukos, som också kallas druvsocker. Den utgör byggstenarna till stärkelsen. Som en biprodukt bildas även syre.

Solenergi + 12 H2O + 6 CO2 → C6H12O6 + 6 O2

Om växten har gott om druvsocker kan det omvandlas till stärkelse. Stärkelse är lättare att spara och fungerar som växtens energilager.

Stärkelsens uppbyggnad och förekomst

Stärkelse och glykogen är exempel på polysackarider (poly = många). De är uppbyggda av ett stort antal monosackarider. När stärkelse ska bildas så sammanlänkas glukosmolekylerna till jättestora komplex. Stärkelse är näst cellulosa den vanligaste organiska substansen på vår jord. Stärkelse förekommer i växterna främst i frön, rötter och rotknölar och utgör en näringsreserv för den spirande plantan.

Det finns två former av stärkelse, amylos och amylopektin. Dessa stärkelsemolekyler bildar i huvudsak kristallina strukturer. Amylosen består av en enda kedja med 100 - 10 000 glukosenheter. I amylopektinet är glukoskedjan starkt förgrenad och molekylen består av cirka 100 000 glukosenheter. Dessa anses vara de största naturligt förekommande molekylerna.

I växten förekommer stärkelsen i så kallade granuler, vilka har varierande storlek och utseende beroende på växslag. Dessa granuler är mycket små, endast några 1000-dels mm. Molekylstorleken i amylos och amylopektin varierar i olika växtslag, vilket förklarar de olika egenskaperna hos stärkelseenheterna.

Svällningsegenskaper

I stärkelsegranulen (stärkelsekornet) finns vatten bundet till ungefär 1/3 av stärkelsens vikt. På grund av den kristallina strukturen i granulen är stärkelsen olöslig i kallt vatten. Vid värmebehandling förklistras stärkelsen, det vill säga den sväller under upptagande av vatten. Granulerna läcker samtidigt ut amylos, medan amylopektinet förblir olöst i granulerna. Vid den fortsatta upphettningen börjar även amylopektin frigöras från granulerna.

Svällningen av granulerna leder till viskositetsökning och genomskinligheten minskar. Man säger att stärkelsen gelatineras - bildar en gel. Viskositeten når sitt maximum när granulerna är maximalt uppsvällda utan att ha sönderfallit.

Starttemperaturen för gelbildningen i de olika stärkelsesorterna är

Vidare uppvärmning gör att granulerna sönderfaller när stärkelsen går i lösning. Samtidigt minskar viskositeten.

Vid avkylning blir stärkelsegelen fastare, med undantag för potatisstärkelsen, som ger en tunn och klistrig gel. Mekanisk bearbetning, till exempel mycket kraftig vispning, påverkar också viskositeten så att gelen blir tunnare.

Retrogradering

Molekylerna i en stärkelselösning som svalnar har en tendens att kristallisera. Denna effekt är tydligast för amylos som har linjära kedjor som kan lägga sig vid varandra. Stärkelsekristallisationen benämns retogradering. Den retrograderade stärkelsen blir fastare och går till slut att dela med kniv, speciellt om andelen amylos i stärkelsen är hög.

Vid retrograderingen har gelen en tendens att avge överskottsvatten. Det kan vara till fördel t ex när det gäller att få en pudding att stelna, men det kan vara till nackdel om det är önskvärt att så mycket vatten som möjligt ska vara bundet, som i mjukt bröd. Bröds åldrande förklaras delvis av den här effekten.

Matspjälkning

När vi tuggar kokt potatis eller bröd (som ju också värmebehandlats) blandas stärkelsen med saliv. Saliv innehåller ett ämne som påbörjar stärkelsens nedbrytning och maltos bildas. När födan når tolvfingertarmen spjälkas kvarvarande stärkelse av enzym från bukspott. Den bildade maltosen spjälkas slutligen till glukos (druvsocker) av ett enzym från tolvfingertarmens slemhinna. Glukosen upptas av blodet.

Vid tillagning har stärkelse en benägenhet att bilda resistent stärkelse på grund av retrogradering. Denna stärkelse uppstår exempelvis vid kokning och efterföljande avsvalning av ris. Resistent stärkelse bildas även när bröd åldras. Resistent stärkelse bryts inte ner förrän i tjocktarmen vilket gör att den kan räknas som kostfiber.

Modifierad stärkelse

Stärkelse är framför allt en viktig ingrediens i många livsmedel, men används också i tekniska sammanhang, exempelvis som bindemedel i papper. Oftast är stärkelsen modifierad för att förbättra gelatiniseringsegenskaperna, men även löslighet, tålighet mot temperaturförändringar, hållbarheten och andra egenskaper kan förbättras. Modifieringen kan ske med mekanisk bearbetning, men hjälp av enzymer eller på kemisk väg. Ett exempel på modifierad stärkelse är dextrin (E1400), som är en löslig form av stärkelse.

Glykogen kallas ibland djurstärkelse

Våra celler kan också lagra druvsocker. Druvsockermolekylerna kopplas då ihop till så kallad glykogen och utgör vår näringsreserv. Glykogen lagras i våra muskler och i levern där det snabbt kan sönderdelas till druvsocker när vi behöver energi. Trots att glykogen är uppbyggd av glukosmolekyler precis som stärkelse så är det inte stärkelse, men har likheter med framför allt amylopektinet i stärkelsen. En glykogenmolekyl kan innehålla 6 000-30 000 glukosenheter.

Amylos och amylopektin är två former av stärkelse

Stärkelse hör till gruppen kolhydrater och mer än hälften av allt kolhydrat vi människor får i oss kommer från stärkelse. Stärkelse finns i två olika former; amylos och amylopektin.

Amylos är ogrenad stärkelse
Bild: © Svante Åberg

Amylopektin är grenad
Bild: © Svante Åberg

Båda formerna är polymerer av glukos. Skillnaden är att amylos är rak medan amylopektin är grenad. I amylos är glukosenheterna kopplade till varandra med a-1,4-bindningar. Amylopektin har en a-1,6-bindning med jämna mellanrum, vilket medför att den blir grenad. Amylopektin liknar på det viset glykogen, som är en lagringsform av stärkelse. Glykogen är dock ännu mer grenad än amylopektin. I både amylos och amylopektin är syrebryggorna vända åt samma håll. Det gör att stärkelsemolekylen blir spiralvriden.

Mer om stärkelsegelatinisering

Ett välkänt fenomen vid livsmedelstillverkning och matberedning är stärkelsegelatiniseringen. Om vi exempelvis värmer någon viktprocent potatisstärkelse i vatten till ca 60 °C bildas en transparent och förhållandevis fast gel. Vad som verkligen händer vid stärkelsens gelatinisering har klarlagts under senare år, och vi skall här söka ge en molekylär beskrivning av fenomenet.

Stärkelsekornen (granuler) innehåller ett kanalsystem där vatten och andra små molekyler (t ex jod och jodidjoner) lätt kan röra sig. Vid temperaturer under gelatiniseringen sker även en viss svällning i samband med vattenupptagning i kornen (en ökning av diametern med upp mot 30% har rapporterats). Troligen är det de mer amorfa (amorf = strukturlös) skikten i stärkelsekornen som sväller vid denna vattenupptagning. Det som sedan händer, i närvaro av vatten i överskott vid cirka 60 °C, är att amylosmolekyler plötsligt börjar läcka ut från kornen, och samtidigt tränger vatten in i stärkelsekornen. Den kristallina strukturen går då förlorad. Blockeras amylosläckaget kan hela gelatiniseringen avstanna.

En färdigsvälld gel består av kraftigt förstorade stärkelsekorn vilka i sig har en gelstruktur dominerad av amylopektin i vatten. Mellan kornen finns en kontinuerlig vattenfas med lösta amylosmolekyler. Stärkelsegelen är en aggregatgel - aggregaten är de svällda stärkelsekornen - i en kontinuerlig amyloslösning. Gelens reologiska egenskaper (= nästan fast, nästan flytande tillstånd) beror främst på aggregatens konsistensförhållanden och tätpackning samt den kontinuerliga amyloslösningens viskositet.

Fördjupad teori om gelatinisering av stärkelse
Övriga termiska omvandlingar

Vid uppvärmning av stärkelse i vatten förekommer - förutom gelatiniseringen - ytterligare två omvandlingar.

Den första toppen i kurvan är den irreversibla gelatiniseringen, och ytan under toppen är proportionell mot entalpin i omvandlingen. Toppen därefter förekommer endast när vattenmängden är otillräcklig för total gelatinisering, och anses motsvara en form av "smältning" av icke-gelatiniserade stärkelsegranuler. För potatisstärkelse krävs minst fyra vattenmolekyler per glukosenhet för att gelatinisering över huvud taget skall ske, och fullständig gelatinisering kräver 14 molekyler vatten/glukosenhet. Motsvarande siffror för vetestärkelse är 4 resp 20 vattenmolekyler/glukosenhet.

Diagrammet visar hur mycket värme som måste tillföras vid olika temperaturer för att värma en blandning av 1 del vatten + 1 del vätestärkelse. En topp i diagrammet visar att det pågår en energikrävande process vid den aktuella temperaturen.

Gelatiniseringstemperaturen är relativt konstant medan temperaturen för den andra omvandlingen ökar med avtagande vattenhalt (när vattenhalten i vetestärkelse varierar från 35 % till 45 % minskar temperaturen från 107 °C till 88 °C). Under ca 30 % vatten förekommer ingen gelatinisering.

Vid ännu högre temperatur kan den tredje omvandlingen observeras. Denna omvandling är en slags "smältning" av amylos-lipidkomplexet, och omvandlingen är reversibel (omvändbar; som kan återgå till det ursprungliga tillståndet).

Stärkelsegelens åldrande

När en stärkelsegel lagras ändras den relativt snabbt på grund av tendensen till kristallisation. En gel med hög vattenhalt kan därför spricka, och geler med lägre vattenhalt, t ex ett brödinkråm, hårdnar vid lagring på grund av denna kristallisationsprocess. Kristallisationen går snabbast vid kylskåpstemperatur. Man bör därför inte lagra bröd i kylskåpet.

Kristallisationen tycks ske av amylopektin inuti de gelatiniserade granulerna. Processen är reversibel vilket bl a framgår av att bröd som blivit hårt kan "färskas upp" genom uppvärmning till ca 70 °C.

Polära lipiders effekt på stärkelsegelen

Lipider, med endast en kedja och en polär grupp, har drastiska effekter på stärkelsegeler. En krämliknande stärkelsegel med klistrig (lång) konsisten förlorar omedelbart sin klistrighet genom tillsats av en liten mängd monostearin utspädd i vatten. Orsaken till detta fenomen är bildning av amylos-lipidkomplex. Effekten av denna komplexbildning blir att amylosmolekylerna i gelens kontinuerliga medium (kemiska miljö, lösning) fälls ut. Komplexet förlorar nämligen sin vattenlöslighet vid en viss kritisk mängd av lipidmolekyler per amylosmolekyl. Monoglycerider används som funktionell tillsats just för att reducera klistrighet i bl a pastaprodukter och i potatispulver.

En annan effekt uppnås om lipiden tillsätts före gelatiniseringen.

Modifierad stärkelse

Det förekommer även vissa kemiska derivat (derivat = kemiskt förändrad variant) av stärkelse inom livsmedelsindustrin.

Kallsvällande stärkelse är en vanlig stärkelseform i pulverprodukter som skall kunna färdigställas direkt genom blandning med vatten, t ex välling-, sopp- och såspulver. Den utgörs helt enkelt av gelatiniserad stärkelse som torkats. När vatten sedan tillsätts återbildas stärkelsegelen momentant.

Ett flertal olika stärkelsetyper används inom livsmedelsindustrin. Potatisstärkelse ger en transparent gel och den bildar gel även vid mycket låga koncentrationer (ca 0,1 %). Vetestärkelse ger en ogenomskinlig gel, men till skillnad från potatisstär kelse krävs flera procent vetestärkelse för att man skall få en gel.

Om man vill åstadkomma en stabil, klar och tjockflytande lösning som inte sätter sig till en gel bör man använda arrowrotens speciella stärkelse.

Slutligen bör nämnas att huvuddelen av den stärkelse som tillverkas ur potatis och vete har tekniska användningar även utanför livsmedelsindustrin. Limning av papper är den dominerande användningen i vårt land, och etanoltillverkning är ett expanderande användningsområde ("Absolut" vodka bland annat).

Livsmedel

Maten håller igång oss

Livsmedel behövs för att hålla igång vårt biologiska maskineri. Det är via maten som vi får energi att röra oss, tänka, men också att växa och reparera våra celler i kroppen. Kroppens maskineri är oerhört komplicerat, men det klarar att styra flödena av både energi och näring till kroppens olika delar vid rätt tillfälle. Kroppen hanterar också att ta hand om de restprodukter som vi måste göra oss av med.

Processerna i kroppen när maten bryts ned, fördelas, omvandlas och görs av med, är i grund och botten kemiska reaktioner som drivs av energin i maten. Maskinen är vår biologiska kropp, men de enskilda reaktionerna är kemiska. På så sätt kan man säga att vår kropp är en kemisk maskin.

Matens ursprung

Ursprungligen hittade vi vår föda i naturen. I det moderna samhället är de flesta livsmedlen processade på något sätt. Även livsmedel som inte är processade i sig är ofta odlade eller uppfödda med metoder som skiljer sig från det som sker i naturen. Syftet är att öka produktionen och att säkerställa kvalitén.

Att livsmedlen inte är helt naturligt producerade behöver inte vara ett problem. Det är bra att vi kan producera mera med mindre resurser. Det är också bra att vi har koll på kvalitén. Men vissa saker är inte bra. Tillsatser som gör att livsmedlen får längre hållbarhet, ser mer aptitliga ut och smakar bättre är inte alltid nyttiga, även som det kan verka så.

Grunden till all produktion av livsmedel är solens energi och växternas fotosyntes. I nästa steg kan djuren äta växterna och producera kött som vi sedan kan äta, men ursprunget är växterna. Men om inte djuren och människorna fanns, så skulle växterna till slut bli utan koldioxid som de behöver för sin fotosyntes. Djur och människor andas ut koldioxid. Kropparna bryts också ned till koldioxid och mineraler när de förmultnar. Detta tar växterna hand om, ofta med svamparna som mellanled. Det hela är ett kretslopp där både växter, svampar och djur ingår. Allt levande både äter och äts. Det som får kretsloppet att hålla igång är strålningen från solen.

Tycke och smak

Genom evolutionen har vi lärt oss att välja vad som är bra med hjälp av lukten och smaken. Oftast är det som vi gillar också nyttigt. När maten är skämd, brukar den börja lukta illa, vilket gör att vi inte äter det som kan göra oss sjuka.

Men det vi tycker om är inte nödvändigtvis bra för oss. Sötma är en signal att maten är bra, vilket stämde väl när människan levde nära naturen och behövde den energi man kunde finna. Men nu finns socker i överflöd. Det blir för mycket av det goda, så att vi blir feta och får sjukdomar som karies och diabetes.

Smaken för maten är också en kulturell fråga. Den mat vi lär oss tycka om från barnsben tycker vi oftast om resten av livet. Det finns också kulturella aversioner mot vissa typer av mat. I Sverige är vi inte vana att äta insekter, men insekter är förträfflig mat som är både nyttig och miljövänlig.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Hävningsmedel för bakning

Hävningsmedel är det gemensamma namnet på tillsatser vid bakningen som gör att brödet eller kakorna sväller och blir luftiga. Det fungerar genom att det bildas gasbubblor som lyfter degen. Det är viktigt att gasbubblorna är innestängda, annars faller bakverket ihop. Degens sega konsistens gör att gasbubblorna hålls kvar till dess brödet eller kakan är färdiggräddad.

Oftast är det koldioxidgas som häver degen. Koldioxid är ofarlig och saknar lukt. Den kan bildas på biologisk väg när jästsvampar äter socker eller andra kolhydrater i degen och bildar koldioxid som restprodukt. Den kan också bildas kemiskt genom att karbonatsalter som upphettas faller sönder och bildar koldioxid.

Men det finns också kemiska hävningsmedel som bildar ammoniakgas. Ammoniak luktar starkt. Det är den lukten du känner när kubbarna gräddas.

Biologiska hävningsmedel

Jäst

Den jäst som används vid bakning (bagerijäst) består av den encelliga svamporganismen Saccharomyces cerevisiae. Den innehåller enzymer, bland annat sådana som kan förjäsa socker till koldioxid och etanol. Jäst är en färskvara och bör förvaras svalt.

Bagerijäst tillverkas genom odling av jästcellerna. Några milligram ympas i ett provrör. Sedan väcks cellerna genom att man tillsätter näring. Inom några timmar har jästcellerna förökat sig så mycket att de behöver flyttas över till ett jäskar. Sedan behöver de flyttas över till allt större jäskar medan tillväxten fortsätter. Inom någon vecka har cellkulturen vuxit till cirka 150 ton av jästceller med identiska egenskaper, de egenskaper som cellympen hade.

Ett gram jäst innehåller 3 miljarder levande celler. Jäst är en färskvara, men det går att återuppliva gammal jäst som torkat och gått in i vilostadium.

Surdeg

Surdeg användes förr, och idag när detta görs så påskyndar man jäsningen genom att tillsätta lite jäst.

Blandas rågmjöl och vatten kommer en spontan syrningsprocess att ske genom de mjölksyrebakterier som alltid finns i mjölet. Allteftersom kolsyra bildas kommer dessa bakterier att ta överhand andra bakterier som mjölet innehåller. Förutom mjölksyra bildas även ättiksyra, koldioxid, etanol och en del aromämnen. Mjölksyran påverkar proteinerna i rågen, och vissa enzymer från bakterierna nedbryter en del av det socker (penosaner) som finns i mjölet - allt detta för att förbättra bakegenskaperna. Ättiksyran bidrar till smaken samt till en konserverande effekt trots att det mesta avdunstar under gräddningen. Av denna anledning är surdegsbröd aromrikt och lätt syrligt, finporigt, lätt att skära upp samt har god hållbarhet.

Kemiska hävningsmedel

Bikarbonat

Alla bakpulver som används på marknaden baseras på natriumbikarbonat (natriumvätekarbonat, NaHCO3) i kombination med andra ämnen. Bikarbonat ensamt bryts ned till soda (Na2CO3), koldioxid och vatten, men om man använder för mycket så kan den ge bismak och brunaktig färg. Av denna anledning passar det bäst till pepparkakor eftersom de innehåller t.ex. fil som tar bort bismaken.

Koldioxiden som orsakar hävningen bildas när temperaturen överstiger 200 °C:

2 NaHCO3(s) + värme → Na2CO3(s) + H2O(g) + CO2(g)

Natriumbikarbonat framställs genom att man leder ner koldioxid (CO2) i en kall sodalösning (natriumkarbonat, Na2CO3). I naturen finns det lagrat med soda i sodasjöar. Genom att koldioxid frigörs vid upphettning av saltet används det i pulverbrandsläckare. NaHCO3 är kolsyrans "sura" salt och Na2CO3 kolsyrans "basiska" salt.

Hjorthornssalt

Hjorthornssalt används inte så ofta idag. Det består av ammoniumbikarbonat (NH4HCO3) som sönderfaller till ammoniak (NH3), koldioxid (CO2) och vatten (H2O). Den kan endast användas i relativt hög ugnstemperatur då ammoniaken, som man helst inte vill ha, kan försvinna. Därav den starka doft som möter en när ugnsluckan öppnas.

Ammoniaken påbörjar hävningen när den bildas redan vid temperaturer strax över 36 °C, men en hel del löses i fukt som finns i degen.

(NH4)2CO3(s) + värme → NH4HCO3(s) + NH3(aq,g)

När temperaturen stiger ytterligare uppemot 200 °C sönderdelas vätekarbonatet på samma sätt som för bikarbonat till koldioxid och vatten. Dessutom övergår ammoniaken från vattenlösning till gasform.

NH4HCO3(s) + NH3(g) + värme → 2 NH3(g) + CO2(g) + H2O(g)

Hjorthornssalt, (ammoniumkarbonat, NH4)2CO3), framställdes förr genom torrdestillation av horn, därav namnet. Det luktar ammoniak och användes förr som luktsalt. Jämför tyngdlyftare som sniffar ammoniak.

Bakpulver
Bakpulver
Bakpulver är det vanligaste hävningsmedlet för kakor. Det innehåller allt som behövs för att hävningen ska fungera.
Foto: © Svante Åberg

Bakpulver är en blandning av natriumvätekarbonat (NaHCO3), sura fosfater (NaH2PO4, Na2HPO4) och något som absorberar fukt, t.ex. majs- eller risstärkelse.

När bakpulver blandas i kaksmeten och gräddas så avges koldioxid som gör att kakan jäser och blir porös. Bakpulver består vanligtvis av två olika sura fosfater och bikarbonat och tillsammans gör de att en del koldioxid avges redan vid rumstemperatur och bildar bubblor som förstoras när kakan börjar stabiliseras vid gräddningen.

NaHCO3(s) + H+ → Na+ + CO2(g) + H2O

Man brukar använda bakpulver i mjuka kakor som innehåller fett, socker och ägg. Jäst kan inte användas i detta sammanhang, för jästen dör av för mycket socker. Dessutom finns inget behov av den långsamma jäsprocessen som jäst leder till vid bakning av mjuka kakor.

Användning av bakpulver i matbröd går fint men brödet blir lite mer kompakt och får sämre hållbarhet eftersom det inte håller lika mycket vatten lika bra som ett poröst bröd bakat med jäst, och därmed torkar brödet snabbare.

Utan bakpulver

I vissa recept står det att man med kraftig vispning ska piska in luft när fett och socker eller ägg och socker blandas. Denna luftmängd räcker hos dessa kakor för att de inte ska bli kompakta.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Kolsyrade drycker

Tre svenskar uppfann den kolsyrade drycken

Vi har tre svenska kemister att tacka för läskedryckerna: Urban Hjärne, Torbern Bergman och Jöns Jacob Berzelius. Alla tre gjorde upptäckter när det gäller kolsyrans alla användningsområden.

Urban Hjärne var född i Ingermanland år 1641. Ingermanland låg söder om finska viken och var på den tiden en svensk provins. Hjärne var svensk läkare, författare och naturforskare. Han hade bedrivit brunnsstudier i Tyskland och när han kom till Sverige 1656 fick han i uppdrag att leta brunnsvatten. Han fick sig tillsänt vatten från Medevi i Östergötland. Hans analyser av vattnet ledde så småningom fram till att han grundade Medevi brunn. Under 1700- och 1800-talen ansågs mineralvatten och kolsyra ha en läkande effekt. Enligt Hjärne hjälpte brunnsvatten mot det mesta. Bland annat skrev han "Det stärker matlusten, underlättar matsmältningen, häver förstoppningar och har en märklig inverkan på allsköns rubbningar i njurarnas och blåsans verksamhet." Hjärne gjorde också viktiga insatser för att stoppa häxprocesserna i Stockholm under häxhysterin åren 1668–76.

Torbern Bergman var astronom, geograf och fysiker och en av 1700-talets mest framstående svenska vetenskapsmän. På 1700-talet var det populärt bland överklassen att ”dricka brunn” vid Medevi, Ramlösa och Sätra. På vintern 1770 var Uppsala-professorn Bergman sjuk. I hans "cur för bättring" ingick ett 80-tal stop utländskt mineralvatten. Det hjälpte, men var dyrt och han led brist på medel. Detta var anledningen till att han började experimentera med mineralvatten och lyckades konstruera en apparat för att på konstgjord väg framställa dem. Detta lyckades Bergman med 1771 och sedan dess har han kallats den svenska läskedryckens fader. Receptet bakom det på konstgjord väg framställda mineralvattnet var en världssensation. Han hade dels analyserat fram flera av de salter som finns i mineralvatten, dels lyckats framställa kolsyra, eller luftsyra som han kallade det. Detta var Bergman först med i världen, även om han inte var först med att publicera upptäckten.

Jöns Jacob Berzelius har fått epitetet ”Den svenska kemins fader”. Han började sin bana med att praktisera på Vadstena apotek. År 1800 tjänstgjorde han som fattigläkare vid Medevi brunn. Så småningom blev han professor i medicin och farmaci. Han var en vetenskapsman som experimenterade flitigt. Han blandade kolsyrat vatten med olika kryddor, safter och vin. På detta sätt fick han fram olika smaksatta drycker och lade grunden för dagens kolsyrade läskedrycker. Läskedrycken är alltså en svensk uppfinning.

Läskedrycken

Kolioxid i läsken
Läsken är övermättad med kolsyra som sönderdelas till koldioxid och vatten när trycket lättar då läskedrycksflaskan öppnas.
Foto: © Svante Åberg

Vid 20 °C och 1 atm tryck löser sig 1,7 g koldioxid i 1 liter vatten. I vätskor som kolsyras under övertryck kan lösligheten av koldioxid öka 4-5 gånger. Man kan maximalt lösa 8 g koldioxid per liter vatten när man tillverkar läskedrycker. I läskedrycker är vattnet övermättat med koldioxid. Det är möjligt genom att tillföra koldioxiden under högt tryck och försluta flaskan eller burken så att det höga trycket bibehålls. När sedan läsken öppnas, så sjunker trycket till normalt atmosfärstryck. Den övermättade lösningen avger då överskottet av koldioxid som bubblor.

Vid lägre temperatur, så kan vattnet lösa mer koldioxid. Det innebär att en kyld läsk lättare behåller kolsyran.

Den pirrande känslan när man dricker kolsyrad läsk beror inte så mycket på bubblorna, utan på kolsyran som gör läsken sur. Koldioxiden reagerar med vattnet till kolsyra. Kolsyran avger sedan vätejoner på samma sätt som andra syror. Den sura smaken ger en pirrande känsla på tungan. Kolsyran gör läsken mer uppfriskande och framhäver aromen genom att föra med sig aromkomponenterna.

Ofta tillsätts även andra syror. Syrorna balanserar sötman. De vanligaste syrorna i läsk är citronsyra, fosforsyra och äppelsyra. Syran bidrar till en viss skärpa i smaken och hjälper till att släcka törsten. Syrorna sänker pH, vilket ger en viss bakteriehämmande effekt.

 Sockerdricka
Sockerdricka innehåller vatten, kolsyra och socker.
Foto: © Svante Åberg

Socker tillsätts för att förbättra smaken. Många drycker innehåller rätt mycket socker, ofta 7-12 viktsprocent. Det kan vara vanligt socker, sackaros, men artificiella sötningsmedel är också vanliga. De artificiella sötningsmedlen ger få kalorier eftersom de är extremt söta och kan tillsättas i mycket små mängder.

Dessutom tillsätts aromer av olika slag. Färg gör att drycken ser aptitlig ut.

Bakteriehämmande medel och antioxidanter förlänger hållbarheten. De vanligaste konserveringsmedlen är natriumbensoat och kaliumsorbat. Ofta används de tillsammans. Natriumbensoat är saltet av bensoesyran.

Hälsoeffekter

Kolsyrad läsk är egentligen inte särskilt naturlig, utan en kemisk blandning av olika ingredienser som ska maximera smak och upplevelse. Men kolsyrade drycker har i sig inga större negativa hälsoeffekter om man inte dricker övermåttan mycket.

Tandhälsan kan vara ett problem. Kolsyran angriper tandemaljen därför att det blir surt i munnen. Sockret som också brukar finnas i drycken bidrar också till syra som en biprodukt när bakterier i munnen konsumerar sockret. Dessutom är det vanligt med extra tillsatt fosforsyra i dryckerna, som gör drycken extra sur.

Fetma är också ett problem som förvärras av läsk. Mycket socker i läsken bidrar till fettbildning om man är storkonsument. Men det stora problemet är det sug efter energi som uppstår när man känner smaken av sötma. Då hjälper det inte att det vanliga sockret ersatts av artificiella sötningsmedel som är energifattiga. Sötsuget gör att man proppar i sig annat godis eller mat. Portionerna blir större och man äter oftare. Då kan man vara ganska säker att lägga på hullet. Läsk ska alltså drickas i måttliga mängder, inte varje dag.

I länder där dricksvattnet kan vara förorenat av bakterier kan det vara en bra att dricka läsk i stället, eller kanske till och med borsta tänderna i läsk. Men det gäller bara dig som turist som inte är van bakteriefloran. Landets egna invånare har fått motståndskraft mot de flesta bakteriestammarna.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Maizenamjöl

Egenskaper

Andra namn på maizenamjöl är majsstärkelse, majsmjöl, maisena, majsenamjöl.

Maizenamjöl är ett rent stärkelsemjöl av majs. Majsmjöl mals av majskorn till mjöl och får en kornig konsistens. Det innehåller inte, som många andra mjölsorter, ämnet gluten. Gluten är ett växtprotein som finns i sädeslagen vete, råg och korn, som till 80% består av svårlösliga proteiner. Det är gluten som ger dessa mjöler deras bakegenskaper och jäsningbenägenhet. Pulvret knarrar karaktäristiskt när man gnider det mellan fingrarna.

Farmakopénamn är Maydis amylum, Amylum maidis. Majsstärkelse är så gott som ren stärkelse, vilket betyder amylos och amylopektin i olika proportioner. Halten amylos bestämmer grödans klibbighet. Mer amylos ger t.ex. hårt ris, mer amylopektin gör det mjukt och klibbigt.

Majsstärkelse är faktiskt olösligt i kallt vatten, men är däremot kraftigt vattenupptagande och kan svälla 10-100 gånger sin volym. Vid upphettning löser sig molekylerna och man får en klar lösning. Det är vad som sker när man kokar kräm.

Framställning

Majs har odlats och varit en viktig gröda i delar av Europa ända sedan 1500-talet men dess stärkelse var den sista som fick större spridning jämfört med stärkelse från vete, potatis och ris. Idag är odling av särskilda stärkelserika majssorter och framställningen av stärkelse storindustri i USA. Varje land har använt den råvara man haft bäst tillgång till för att utvinna stärkelse. I södra och mellersta Europa har det varit vete, i norra Europa potatis, i England och Asien ris och i USA majs. Idag är stärkelse en grundbult i industrin, råvara för framställning av allt från socker och alkohol till plaster.

Kornen av majsstärkelse är mindre än korn av potatisstärkelse.

Stärkelse är växternas vanligaste kolhydrat (andra är socker, dextrin och cellulosa). Det är en omvandlad form av socker som bildas i växternas gröna delar och lagras i rötter, knölar och frön som reservnäring för att vid behov brytas ner till lösliga transportabla sockerarter igen.

Principen för att få ut stärkelsen är densamma för alla sorter. Först sker sönderdelning där mekaniska metoder såsom krossning och mosning har använts i årtusenden. Idag kan man bryta ner växtmaterialet på kemisk väg, t. ex. med alkalier. Sedan sker urlakning, där massan lakas ur i vatten och den lösgjorda stärkelsen får sjunka till botten eller centrifugeras bort. Därefter sker blekning där stärkelsepulvret efter torkning och siktning bleks i sol eller kemiskt.

Specialbehandling kan sedan läggas till, stärkelsen kan modifieras kemiskt, t. ex. för att tjockna vid önskad temperatur och pH i olika typer av livsmedel. Modifieringarna består i att stärkelsen behandlas med syror eller alkalier, bleks eller oxideras för att få speciella egenskaper och kunna användas för speciella produkter, t.ex. för att livsmedlet ska tjockna efter viss tid eller vid en viss temperatur eller ska klara djupfrysning och snabb upphettning.

Majskorn innehåller 50-75 % stärkelse, som utvinns efter majsolja. Processen börjar med att kornen läggs i varmt vatten med lite svavelsyra. Majsstärkelse har kantiga, rätt små korn (15-20 µm). Det förklistras vid 75°, och bildar då en tjock lösning (stärkelseklister) som kan användas som just klister.

Majsstärkelse bör förvaras i slutet kärl och skyddat mot fukt. När stärkelsen blandats med vatten måste den konserveras, om inte annat så för att bakterier bryter ner geléet. 0,5 % salicylsyra hindrar stärkelseblandningar från att "surna".

Ett beprövat sätt att kontrollera om ett ämne innehåller stärkelse är att hälla svag jod-lösning på den (5 droppar jodsprit i 1 dl vatten). Jodlösningen är rödbrun och om ämnet innehåller stärkelse blir den blåsvart.

Luft

Atmosfären

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

Sammansättningen hos torr luft är:

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

Vattenångan i luften

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

Den tidiga atmosfären

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

Luftens kvalitet

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

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

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Separation av luftens gaser

Kväve, syre och argon utvinns ur luften i stor skala.

Fraktionerad destillation vid låga temperaturer

Den vanligaste metoden för utvinning är fraktionerad destillation vid mycket låga temperaturer där gaserna kondenserats till vätska. På grund av tekniken att kyla luften kallas metoden även kryogenisk destillation.

Destillation bygger på att jämvikten mellan vätska och gas är kopplad till de olika ämnenas kokpunkt. Ämnena med lägst kokpunkt avdunstar lättast och samlas upp vid de lägre temperaturerna i destillationskolonnen längst upp. Ämnen med högre kokpunkt samlas upp där destillationskolonnen är varmare i sin nedre del.

Kokpunkterna för de aktuella gaserna i luften är följande:

gaskokpunkt (°C)
kväve-196
argon-186
syre-183

Först filtrerar man luften för att avlägsna damm. Sedan komprimerar man och kyler ned luften till en vätska. Den komprimerade luften får passera en molekylsikt som avlägsnar spår av vatten och klodioxid som annars kan plugga igen rören eftersom de övergår i fast form.

Denna flytande luft får sedan genomgå fraktionerad destillation och då får man de tre gaserna med hög renhet (99,9%).

Separation med hjälp av zeoliter

Zeoliter är lermineraler med en struktur som innehåller porer i molekylstorlek. Zeoliter kan därför fungerar som en molekylär "svamp" som binder upp gaserna. Metoden att separera luftens gaser med zeoliter fungerar vid rumstemperatur och fodrar därför ingen kylning.

Gaserna binder till zeoliten när trycket ökas. Eftersom de olika typerna av gaser binder olika lätt, så kan man selektivt fånga upp gaserna genom att applicera rätt tryck. För att få loss den adsorberade gasen så räcker det att lätta på trycket igen.

Separation med hjälp av membran

Inte heller membrantekniken kräver någon nedkylning. Membranerna fungerar som filter som skiljer stora molekyler från små. De små molekylerna kan passera genom membranet, medan de stora hindras.

Membraner av polymera filmer kan användas för att anrika syret till mellan 25 % och 50 %. Keramiska membraner är effektivare och kan ge en renhet på upp till 90 % syre, men kräver å andra sidan höga temperaturer på 800-900 °C för att metoden ska fungera.

Material är materia i fast form som används i praktiska tillämpningar eller som finns naturligt. Oftast är materialen blandningar av ämnen, men ett material har en enhetlig sammansättning, dvs. är likadant rakt igenom.

Material kategoriseras ibland efter användningsområde, t.ex "byggmaterial". Andra gånger kategoriseras materialen efter sin uppbyggnad, t.ex. "kristallina material".

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Betong

Betong består av varierande kornstorlekar av bergmaterial och cementpasta. Cement innehåller släckt kalk, dvs. kalciumhydroxid. Receptet för betong är att blanda sten, grus och sand med cement och vatten. Blandningen stelnar efter ett tag. För att undvika att den stelnar för tidigt fraktar man den tillblandade betongen i roterande behållare. Det hjälper också till att få materialet bättre blandat.

Betongen pumpas sedan ut i en form där den får ligga och stelna. För att undvika håligheter i betongen så används vibratorer som får luftbullorna att stiga upp till ytan. Betongmassan stelnar inom några timmar. Medan den hårdnar är det viktigt att den inte torkar ut. Därför brukar man behöva bevattna den under tiden.

Den kemiska reaktionen som får betongen att stelna utvecklar en hel del värme. Det gör att man kan gjuta betong även när det är ganska kallt.

Nygjuten betong innehåller kalciumhydroxid, så kallad släckt kalk. I kontakten med luftens koldioxid reagerar den och bildar kalciumkarbonat inom några timmar. Skiktet med kalciumkarbonat ligger närmast ytan, men med tiden går det allt djupare. Men karbonatbildningen går allt långsammare och efter ett år har det fortfarande inte gått mer än mellan 1 och 5 mm på djupet.

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.

mer material på grundnivå kommer

mer material på avancerad nivå kommer

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

Karbonater

Karbonater i naturen är mineraler som bildar basiska bergarter. De innehåller karbonatjonen, CO32–. Karbonaterna är alltså salter, men de är i allmänhet svårlösliga. Den positiva jonen är en metalljon, ofta tvåvärd.

Följande mineraler är karbonater:

Kalcit (Kalkspat) CaCO3
Magnesit MgCO3
Siderit (Järnspat, Chalybit) FeCO3
Rodokrosit (Manganspat) MnCO3
Smithsonit (Zinkspat, Calamin) ZnCO3
Dolomit CaMg(CO3)2
Ankerit Ca(Mg,Fe)(CO3)2
Aragonit CaCO3
Witherit BaCO3
Strontianit SrCO3
Cerussit PbCO3
Malakit Cu2CO3(OH)2
Azurit (Chessylit) Cu2(CO3)2(OH)2

Ett mineral betecknar en kemisk förening som ibland förekommer i ren form i naturen och ibland bildar bergarter tillsammans med andra mineraler.

Kalcit är ett mineral med stor utbredning. Det förekommer i kalkhaltiga sediment, kalksten, och i metemorfa (omvandlade) bergarter, marmor. Kalksten bildas när fossilt material från t ex skelett och snäckskal sedimenterar. Högt tryck och lång tid omvandlar så småningom sedimentet till mineral och bergarter. Krita, kritkalksten, är också en form av kalksten. Den har bildats av skalen från fritt omkringsimmande organismer i havet. Det mesta av kritkalkstenen bildades under kritaperioden. Marmor är kristallin kalksten, en omvandlad bergart.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

I praktiska tillämpningar av kemin behöver man anpassa produkterna så att de är säkra och enkla att använda. De ska inte heller skapa miljöproblem eller vara för dyra. Man måste ta hänsyn till hur människor hanterar produkterna och hur de kommer att användas. Till exempel kan fukt eller extrema temperaturer skapa problem. Det är designerns och ingenjörens uppgift att utforma produkten så att den bli användbar, men om den bygger på en kemisk princip så måste även kemisten vara med.

mer material på grundnivå kommer

mer material på avancerad nivå kommer

Batterier

Engångsbatterier

Det vi i dagligt tal kallar batterier är små energipaket som kan leverera elektrisk ström. Energin kommer från kemiska ämnen som kan reagera genom att avge och ta upp elektroner. Det handlar alltså om en elektrokemisk reaktion. Den kemiska energi förbrukas vid reaktionen. När reaktanterna är slut, dvs. ämnena som reagerar, så är också energin förbrukad.

Ackumulatorer

En typ av batterier som går att ladda upp igen kallas ackumulatorer, men oftast säger vi bara laddningsbara batterier. Vid uppladdningen tvingar man den elektrokemiska reaktionen att gå åt motsatt håll så att de energirika ämnena återskapas. Sedan kan batteriet användas på nytt.

Vid varje urladdning och uppladdning försämras batteriet något eftersom det blir sidoreaktioner som inte går att återställa. Därför har de laddningsbara batterierna en begränsad livslängd. Genom att inte ladda upp batteriet till 100 % undviker man en del av dessa skadliga sidoreaktioner.

Utformning av batterier

Stavbatterier är vanliga cylindriskt formade batterier med en positiv pol i form av en elektrod nedstoppad i en bägare av metall som utgör den negativa polen. Man ser bara toppen av den positiva polen som en knapp i ena änden. Vanligtvis är batteriet märkt med ett litet plustecken (+) vid den positiva polen och ett minustecken (-) vid den negativa polen.

Knappcellsbatterier är platta och runda. På knappcellsbatterier har den positiva polen en nedvikt kant som klämmer åt kring den negativa polen på motsatt sida. Om man tittar närmare ser man att det finns ett isolerande lager mellan polerna. Det är nödvändigt för att batteriet inte ska kortslutas. Den positiva polen på knappcellen brukar vara märkt med ett plustecken (+). Knappcellsbatterier finns i många storlekar. Silveroxidknappceller har en polspänning på 1,5 Volt. Litiumbatteriernas polspänning är högre, 3,0 eller 3,6 Volt.

material på avancerad nivå kommer

Fluorsköljning av tänderna

I vissa områden finns fluorid i dricksvattnet. Fluoriden byggs in i tandemaljen genom att ersätta hydroxidjoner som annars finns där. Fluoriden är mindre känslig för syra, vilket gör att tänderna inte utsätts för karies i samma utsträckning. Fluoriden verkar dessutom bidra till mineralisering av tandemalj och motverka bakteriebildning.

Om de naturliga halterna av fluorid är för låga kan man komplettera med fluorsköljning. Vanligen ingår natriumfluorid (NaF) i fluorsköljen. I Sverige har program för fluortandsköljning bedrivits under tiden 1960-1980 då "fluortanten" kom regelbundet till klasserna. När tandhälsan förbättrades genom bättre medvetenhet om tandvård slutade man dela ut fluorskölj i skolorna. Tandkräm innehåller också vanligen fluorid i halter mellan 0,2-0,3 %.

Men överdrivet mycket fluorid är inte bra. I mild form ger det vita fläckar på tänderna, men i allvarlig form med kraftig exponering för fluorid kan tänderna deformeras av gropar och täckas av bruna fläckar.

Jonbyte mellan hydroxid och fluorid

Hydroxidjonen OH och fluoridjonen F har samma laddning och är lika stora. Det innebär att de ofta är utbytbara.

Tandemalj innehåller ämnet hydroxiapatit Ca5(PO4)3OH, där hydroxidjonen ingår. Vid pH 7 är lösligheten för hydroxiapatit mycket låg, vilket är tur eftersom tänderna annars skulle frätas upp snabbt. Den fasta hydroxiapatiten står i jämvikt med vattenlösning i saliven enligt reaktionen

Ca5(PO4)3OH(s) + 3 H2O 5 Ca2+ + 3 HPO42– + 4 OH
hydroxiapatit vatten kalciumjoner vätefosfat hydroxid

Men när bakterier i munnen bryter ned kolhydrater bildas syra. Syran förbrukar hydroxid så att jämvikten förskjuts åt höger. Det innebär att tandemaljen löses upp.

Men tack vare likheten mellan hydroxidjonen och fluoridjonen kan man använda sig av fluorsköljning. Då ersätts hydroxidjoner i tandemaljen av fluoridjoner så att det i stället bildas fluorapatit, Ca5(PO4)3F. Motsvarande jämvikt blir då

Ca5(PO4)3F(s) + 3 H2O 5 Ca2+ + 3 HPO42– + 4 F
fluorapatit vatten kalciumjoner vätefosfat fluorid

Eftersom fluoridjonen inte är en lika stark bas som hydroxidjonen, så reagerar den inte lika lätt med syran som bakterierna producerar. Då förskjuts inte heller jämvikten så mycket åt höger när det blir surare i munnen och tandemaljen löses inte upp lika lätt. På så vis skyddar fluoret tänderna.

Leclanchécell

Brunstensbatteriets konstruktion.
Bild: © Svante Åberg

Under 1860-talet utvecklade fransmannen Georges Leclanché det som blev ursprunget till vad som varit en av de vanligaste battericellerna, nämligen brunstensbatteriet. Leclanchés cell var en s. k. våt cell där anoden, (-)-polen, var utförd som en amalgerad zinkstav. Katoden, (+)- polen, utgjordes av krossad mangandioxid (brunsten) blandat med en tillsats av kolpulver. Blandningen packades hårt i en bägare och en kolstav placerades i blandningen för att fungera som strömsamlare. Bägaren samt anoden sänktes ned i ett bad av salmiak vilket genomdränkte den porösa bägaren och fungerade som elektrolyt.

En förbättrad variant av den våta Leclanchécellen är torrbatteriet, se bilden till höger. Torrbatteriet gjorde energilagringen praktiskt användbar. Numera finns dock batterier med bättre egenskaper, t.ex. de alkaliska batterierna.


Reaktioner i batteriet

Anod (oxidation): Zn → Zn2+ + 2 e-

Katod (reduktion): 2 NH4+(aq) + 2 MnO2(s) + 2 e- → 2 MnO(OH)+2 NH3

Totalreaktion: Zn + 2 NH4+(aq) + 2 MnO2(s) + → Zn2+ + 2 MnO(OH)+2 NH3

material på avancerad nivå kommer

NiMH-batterier

Nickel-metallhydridbatterier är laddningsbara, dvs. ackumulatorer. Oftast förkortas namnet till NiMH. Denna typ av har blivit det vanligaste laddningsbara batteriet och har ersatt de tidigare Nickel-kadmiumbatterierna (NiCd) som inte alls vara lika bra och dessutom är förbjudna nu av miljöskäl.

Spänning 1,2 V

Den nominella spänningen för NiMH är visserligen bara 1,2 V, men spänningen är mycket stabil ända fram till dess batteriet är urladdat. I jämförelse är den nominella spänningen för ett alkaliskt batteri 1,5 V, men spänningen sjunker under tiden batteriet används och blir ganska snart lägre än 1,2 V när det används. Av den anledningen kan NiMH ersätta alkaliska batterier i alla tillämpningar, trots att den nominella spänningen är lägre.

Uppladdning av batterierna

Vid laddning av NiMH blir det en liten topp i polspänningen när batteriet är i det närmaste fulladdat, sedan sjunker polspänningen igen (negativ ΔV, negativ delta-Volt). I mer avancerade batteriladdare används detta för att känna igen att batteriet är färdigladdat. Laddaren går då över i underhållsladdning för att batteriet inte ska skadas.

NiMH-batterier kräver inte att de ska urladdas förrän de laddas upp igen, vilket många tror. De har alltså inte några större problem med minneseffekter. Men detta problem fanns med de nu förbjudna NiCd-batterierna.

Ett sak skadar NiMH-batteriet. Det är om det blir alltför varmt. Det sker om batteriet laddas för snabbt. Laddningstiden bör vara minst 1 timme för att batteriet inte ska överhettas. Normala laddningstider är några timmar.

Självurladdning

Ett problem är självurladdning. Den första generationen av NiMH hade ganska hög självurladdning, cirka 15-20 % per månad. Batteriet tog alltså slut även om apparaten inte användes. Generation 2 av NiMH har mycket låg självurladdning, cirka 2-3 % per månad. Det går bra att använda generation 1 i apparater som förbrukar mycket ström eftersom självurladdningen ändå är så liten i förhållande till det apparaten förbrukar. Men om batteriet ska sitta i en apparat som förbrukar väldigt lite, t.ex. en klocka, bör man välja generation 2 som behåller laddningen i flera år. NiMH generation 2 fungerar också bättre vid låga temperaturer.

Elektrodreaktioner

I NiHM-batteriet sker följande elektrodreaktioner:

Negativa polen: MH + OH ⇌ H2O + M + e

Positiva polen: NiO(OH) + H2O + e ⇌ Ni(OH)2 + OH

Total reaktion: MH + OH + NiO(OH) ⇌ M + Ni(OH)2 + OH

Reaktionen från vänster till höger sker när batteriet används och laddas ur. Reaktionen från höger till vänster sker när batteriet laddas upp.

Tvätt och rengöring

Smuts innehåller ofta feta ämnen, var sig det är matrester på tallriken eller fläckar på kläderna. Fetter har mycket låg löslighet i vatten. Det är därför svårt att få rent genom att bara tvätta i vatten.

Men om man tillsätter disk- eller tvättmedel, så blir det stor skillnad. Det finns flera namn för denna typ av ämnen:

amfifil = ämne med en hydrofil och en hydrofob del
detergent = ämne som rengör
tensid = ämne som sänker ytspänningen
ytaktivt ämne eller surfaktant = ämne som lägger sig i fasgränsytor

Disk- och tvättmedelsmolekyler är amfifiler


Detergentmolekylerna bäddar in fettpartiklar så att de får en hydrofil yta. Då blir de "vattenlösliga" och kan sköljas bort.
Bild: Svante Åberg

Gemensamt för sådana molekyler är att de dels har en hydrofob (vattenskyende) del, ofta i form av en kolvätekedja, dels en hydrofil (vattenälskande) grupp i andra änden. Den hydrofoba svansen är fettlöslig samtidigt om det hydrofila huvudet är vattenlösligt.

Amfifilen är ytaktiv

Detergenten sätter sig spontant i gränsskiktet mellan fett och vatten. Då hamnar den fettlösliga delen i det opolära fettet samtidigt om den vattenlösliga delen har kontakt med det polära vattnet.

Det leder till att fettpartiklar bäddas in i ett lager av amfifilen där molekylernas polära huvuden pekar ut mot vattenlösningen.

Amfifilen gör fettpartiklarna "vattenlösliga"


En dispersion (emulsion) av fettpartiklar i vatten stabiliseras av emulgeringsmedlet, som är ett ytaktivt ämne.
Bild: Svante Åberg

Inbäddade fettpartiklar med en hydrofil yta kan börja sväva i vattenlösningen. Det handlar inte om äkta löslighet eftersom blandningen inte är på molekylnivå, utan med större partiklar. Varje fettpartikel utgör en egen fas skild från vattenfasen.

En sådan blandning av olösliga partiklar i en vätska kallas dispersion. Ett annat namn är emulsion. Vid tvättprocessen är fettpartiklarna små droppar medan vattenlösningen är en kontinuerlig fas som omger fettpartiklarna.

Mekanisk bearbetning underlättar tvättprocessen

Det krävs att fettpartiklarna är små för att man ska få en dispersion. Mekanisk bearbetning slår sönder fettet i mindre delar. Då kommer amfifilmolekylerna åt att bädda in fettpartiklarna.

Fyra typer av detergenter

Detergenter är amfifiler med en opolär del och en polär.

Den opolära "svansen" är alltid ett kolväte, eller möjligen ett par kolvätekedjor. Kolväten är typiskt opolära ämnen som skyr vatten. Ju längre kolvätet är, desto mer opolära egenskaper får molekylen som helhet. Vanligtvis är kolvätekedjan ganska lång.


Klasser av ytaktiva ämnen: icke-joniska, anjoniska, katjoniska och zwitterjoniska
"Tenside haben hyrophile und hydrophobe Enden" av Roland.chem" (CC BY-SA 3.0)

Det polära "huvudet" kan vara av olika typer. På tvättmedels- eller diskmedelsförpackningen brukar den ungefärliga sammansättningen av de olika typerna vara angiven.

Icke-joniska detergenter

Icke-joniska detergenter har en polär grupp som inte är en jon.

Ett vanligt exempel är PEG, polyetylenglykol, som har formeln H−(O−CH2−CH2)n−OH. OH-gruppen är oladdad, men starkt polär på grund av att den höga elektronegativiteten hos syreatomen attraherar elektronmolnet från väteatomen så att syreatomen får en negativ och väteatomen för en positiv nettoladdning.

Anjoniska detergenter

Anjoniska detergenternas polära grupp är en negativ jon. Typiska detergenter är alkylbensensulfonater med den allmänna formeln R–C6H4–SO3, där R är en kolvätekedja.

Exempel är natriumsaltet av dodekylbensensulfonat, C12H25-C6H4-SO3Na.

Katjoniska detergenter

Katjoniska detergenter liknar anjoniska sådana, men den polära gruppen utgörs i stället av en positiv jon. Jonen kan vara ett ammoniumsalt (R-NH4+) eller ett kvarternärt ammoniumsalt (R4N+).

Zwitterjoniska detergenter

En zwitterjon är en positiv och en negativ jon på samma molekyl. Den katjoniska delen är en primär, sekundär eller tertiär amin eller en kvaternär ammonium-katjon. Den anjoniska delen är ofta sulfonat eller ammonium-karboxylat, men det finns många varianter.

Litteratur

Fler experiment


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
Fakta del 1
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
Kognitiva begrepp del 1
Kognitiva begrepp del 2
Koka vatten i en spruta
Ljuset under glaset
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
När flyter potatisen?
Osmos i ett ägg
Pelargonens färg
pH i kokt mineralvatten
pH-beroende avfärgning av rödkål
pH-förändringar vid fotosyntes
Principen för dynamisk jämvikt
Pulversläckare
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Surt regn
Syror och baser i konsumentprodukter
Tvätta i hårt vatten
Varför äter vi Samarin?
Vattenrening