Luftfuktighet och rostbildning

Tillhör kategori: jämvikt, urval reviderat experiment

Författare: Svante Åberg   Medverkande: Sabiha Al-Ubaidi

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

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 30 minuter

Antal tillfällen: 2

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Järn (stål) rostar om den relativa luftfuktigheten är så hög att det bildas en vattenfilm på järnet. I detta experiment ska du se hur olika fuktighetsgrad påverkar rostbildningen på en järnplåt. Luftfuktigheten regleras med saltlösningar av NaCl och MgCl2.

Riktlinjer

Experimentet utförs lämpligen som elevförsök enskilt eller i grupper.

Säkerhet

Experimentet är ofarligt.

Överblivna lösningar kan spolas ned i vasken.

Materiel

Förarbete

Inget förarbete.

Utförande

  1. Bered mättade vattenlösningar av natriumklorid (NaCl) och magnesiumklorid (MgCl2) i var sin skål (Lösningen är mättad när det blir en rest av olöst salt på botten).
  2. Förbered järnbitarna (slipa gammal rost).
  3. Sätt en järnbit på underlaget i vardera kärlet och lägg på locket.
  4. Se till att det inte finns någon vattenfilm mellan plåtbiten och underlaget.
Bild: © Svante Åberg

Variation

Man kan prova andra salter för att prova andra luftfuktighetsgrader med t.ex. litiumklorid eller kaliumklorid.

Man kan jämföra olika behandlade stålbitar med samma salt (bättre med ett salt som ger hög luftfuktighet).

Förklaring

Plåtbiten av järn som finns i kärlet med NaCl-lösningen korroderar betydligt mer än den andra plåtbiten därför att luftfuktigheten är högre över en mättad lösning av natriumklorid än magnesiumklorid. Fukt är nödvändig för att rostbildning ska kunna ske. Luftfuktigheten bestäms av jämvikten mellan vatten som avdunstar från lösningen och vattenånga som kondenserar igen.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

När rostar det?

I Kalifornien har man inga problem med rostiga bilar. Det beror på att solen nästan alltid skiner och luften är torr. På västkusten i Sverige är det i stället fuktigt och vindarna som blåser in från havet kan föra med sig både regn och saltstänk. Då rostar bilarna snabbt om man inte rostskyddsbehandlat dem ordentligt.

För att järn och stål ska rosta behövs fukt. Om järnet blir blött så kan det börja bildas rost inom några timmar. Men det behöver faktiskt inte regna på järnet, det kan räcka med att luftfuktigheten är hög. I fuktig luft bildas en tunn, osynlig film av vatten på järnets yta som räcker för att rostprocessen ska starta. Men hur fuktig måste luften vara för att det ska bildas en sådan vattenfilm?

Meteorologerna talar om relativ luftfuktighet. Den relativa luftfuktigheten är 100 % när det börjar bildas dagg, dimma eller regn. Då säger man att luften är mättad med vattenånga och kan inte ta upp mera. Allt som överstiger 100 % blir till vattendroppar. Normala luftfuktigheter utomhus brukar ligga mellan cirka 50 % och 100 %. Inomhus blir luften torr vintertid och då kanske det blir så lite som 30 % relativ luftfuktighet.

Men när blir det en vattenfilm på ytan av järnet? I experimentet så ska vi undersöka praktiskt hur fuktig luften ungefär måste vara för att det ska rosta på en järnbit. För att göra det måste vi kunna styra luftfuktigheten. Det kan man göra med en mättad saltlösning. Du kanske har sett hur en så kallad ”torrboll” tar upp fukt från luften. Den innehåller saltet kalciumklorid som har en stor förmåga att binda till sig vatten. Den relativa luftfuktigheten ovanför fast kalciumklorid blir så låg som 20 %. Andra salter ger andra värden på den luftfuktigheten Exempelvis natriumklorid ger en luftfuktighet på 75 % när luften är i jämvikt med det fasta saltet. Genom att välja lämpligt salt så kan man bestämma vilken luftfuktigheten ska vara.

Den relativa luftfuktigheten

GDC: Jämvikt

Anledningen till att olika salter ger olika luftfuktighet i luften ovanför saltlösningen är att de har olika förmåga att binda upp vattenmolekyler. Vattenmolekyler som binds upp av saltjoner kan inte avdunsta. Den högsta luftfuktigheten får man ovanför rent vatten. Hur fuktigt det blir beror på koncentrationen av saltjoner i den mättade lösningen. Eftersom olika salter ha olika löslighet, så blir också luftfuktigheten olika.

Det tar en stund för den relativa luftfuktigheten att ställa in sig så att det blir jämvikt mellan vattnet i den mättade saltlösningen och vattenångan i luften. Man måste lämna experimentet att stå. Dessutom måste man stänga in experimentet så att den fuktiga luften inte blåser bort. Det är bra om man kan titta på experimentet utan att öppna så att vattenångan försvinner. Därför kan man använda ett kärl med lock av glas eller av klar ofärgad plast.

Vårt experiment

Vid en luftfuktighet på cirka 70 % bildas en vattenfilm på ytan av metallen. Det leder till att järnet börjar rosta. I tabellen nedan över luftfuktigheterna vid jämvikt över mättade saltlösningar ser man att för magnesiumklorid är luftfuktigheten för låg (33 %) för att leda till rostbildning. Men ovanför en mättad koksaltlösning (natriumklorid) är luftfuktigheten hela 75%, vilket ger rostangrepp.

Relativ luftfuktighet (%) vid jämvikt
ovanför mättade saltlösningar
vid olika temperaturer
Temperatur (°C)
5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0
Litiumklorid 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3 11,3
Kaliumacetat 23,3 23,4 23,1 22,5 21,6
Magnesiumklorid 33,6 33,5 33,3 33,1 32,8 32,4
Kaliumkarbonat 43,1 43,1 43,1 43,2 43,2 43,2
Magnesiumnitrat 58,9 57,4 55,9 54,4 52,9 51,4
Natriumbromid 63,5 62,2 60,7 59,1 57,6
Kaliumjodid 68,9
Natriumklorid 75,7 75,7 75,6 75,6 75,3 75,1
Kaliumklorid 87,7 86,8 85,9 85,1 84,3 83,6
Kaliumnitrat 96,3 96,0 95,4 94,6 93,6 92,3
Kaliumsulfat 98,5 98,2 97,9 97,6 97,3 97,0


NaCl-lösningen ger 75% relativ luftfuktighet, vilket orsakar rostbildning inom någon vecka.

MgCl2-lösningen ger 33% relativ luftfuktighet, vilket inte räcker för rostbildning.
Foto: © Sabiha Al-Ubaidi

Fördjupning

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

Vattenånga i jämvikt med vattenlösning

Avdunstning och kondensation sker samtidigt

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

Motsatta processer leder till jämvikt

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

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

Avdunstning

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

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

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

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

Kondensation

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

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

Jämvikten

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

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

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

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

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

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

Ångtryck över lösningar

Trycket kommer från gasmolekylernas kollisioner

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

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

Vatten som avdunstar ger ångtryck

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

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

Inverkan av det lösta ämnet i vattnet

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

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

Raoults lag

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

Plösning = Xlösningsmedel·Prent lösningsmedel

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

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

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

Redoxreaktion

Redoxreaktioner kan delas upp i delreaktionerna oxidation och reduktion.

Oxidation

Med oxidation menar man reaktioner där elektroner avges. Vid en oxidationsreaktion avges energi i de flesta fallen. Flera metaller kan reagera vid rumstemperatur med luftens syre till oxider. Exempel på detta är järn som oxideras av luftens syre och bildar då rost. Oxidationssteget är
Fe → Fe2+ + 2 e

Reduktion

Motsatsen till oxidation är reduktion. Reduktion innebär att elektroner tas upp. Exempel på en reduktion är när syreatomerna tar upp de elektroner som järnet avger när det rostar. Syreatomerna bildar negativa joner. Man säger då att syret har reducerats

O + 2e → O2–

Reduktion och oxidation sker samtidigt

Elektroner kan inte förkomma fria, de kan bara överföras från ett ämne till ett annat. När en reduktion sker, sker samtidigt en oxidation eftersom lika stort antal elektroner avges och tas upp. Vi kallar detta redoxreaktion. I exemplet med oxidation av järn och reduktion av syre balanseras de två delreaktionerna så att lika måna elektroner tas emot som de som avges och man får totalreaktionen

Fe + O → Fe2+ + O2–

Om vi tar hänsyn till att syrgas förekommer som molekyler och att järnjonerna och syrejonerna bildar föreningen FeO och dessutom anger aggregationsformen, så kan vi snygga till reaktionsformeln för totalreaktionen till

2 Fe(s) + O2(g) → 2 FeO(s)

Redoxreaktion vid kontakt mellan ämnena

Kontakt mellan reaktanterna

I en vanlig redoxreaktion sker elektronövergången i kontakt mellan ämnena som reagerar. Elektronen hoppar över direkt från molekylen (eller atomen) som oxideras till molekylen (eller atomen) som reduceras. Elektronhoppet kan bara ske över mycket korta avstånd och sker därför i samband med att partiklarna kolliderar. Därför sker oxidationen och reduktionen på samma plats.

Elektroner förekommer inte fria i ämnen

Anledningen till att elektronöverföringen sker i direktkontakt mellan ämnena är att elektroner inte kan förekomma fria i ett material eller en lösning. De binder alltid till de atomer eller molekyler som finns i närheten. I icke-metalliska material är elektronens position vanligen fixerad till en bestämd molekyl eller atom.

Däremot är elektronerna fritt rörliga i metalliska material. De kan dock inte lämna metallen, bara röra sig inom metallen. När elektronerna rör sig förbi atomerna i metallgittret handlar det inte om elektronöverföring. I stället har metallen ett enda stort elektronmoln av ledningselektroner som är gemensamma för hela metallkristallen.

Det finns också halvledande material som med viss ledningsförmåga, men där elektronerna i huvudsak är fixerade i vissa positioner.

Elektrokemisk redoxreaktion

Redoxreaktioner via direktkontakt eller förmedlade av elektroder

I en vanlig redoxreaktion så hoppar elektronerna över direkt från det ena ämnet till det andra. Det kan bara ske i det ögonblick molekylerna eller atomerna kolliderar med varandra. Det innebär att oxidation och reduktion sker på samma plats.

Men genom att använda sig av elektriska ledare kan vi få elektronerna att ta en omväg så att den elektron som avgivits av en partikel levereras på en annan plats. Denna typ av konstruktion möjliggör elektrokemiska redoxreaktioner.

Elektrokemisk reaktion möjliggör separation av oxidation och reduktion

Elektrokemiska reaktioner bygger på en konstruktion med elektroder och en jonlösning (elektrolyt). Dessutom finns en yttre krets med en elektrisk ledare. I elektriska batterier eller i uppställningar för elektrolys är denna uppbyggnad lätt att se. Men samma princip gäller vid bland annat elektrokemisk korrosion där en punkt på t.ex. järn rostar (anoden) och en annan punkt reagerar med luftens syre (katod). Däremellan fungerar järnet som elektrisk ledare.

I den elektrokemiska redoxreaktionen sker elektronöverföringen via en elektrisk ledare så att avgivande och upptagande av elektroner sker på olika platser. Uppställningen för den elektrokemiska reaktionen innehåller elektroder. Anoden är den elektrod som tar upp elektroner från ämnet som är i kontakt med elektroden, dvs. ämnet oxideras vid anoden. Katoden är den elektrod som levererar elektroner till ämnet vid elektroden, dvs. det ämne som reduceras.

Ibland kan elektroden själv delta i redoxreaktionen. Så är ofta fallet om en metallelektrod används som anod. Anodmaterialet oxideras då till metalljoner som går i lösning. Exempel är en kopparanod:

Anodreaktion: Cu(s) → Cu2+(aq) + 2 e

mer material på avancerad nivå kommer

Korrosion

Ordet ”korrodera” betyder fräta. Inom kemi talar man oftast om korrosion i samband med att metaller reagerar kemiskt med omgivningen och på så sätt löses upp. Metaller är grundämnen som lätt avger elektroner och bildar jonföreningar. Många reaktionsprodukter av korrosionen är svårlösliga. De svårlösliga korrosionsprodukterna kallas rost om de kommer från järn, och ärg om de kommer från koppar. Men det förkommer också att metallerna löses upp och bildar lättlösliga salter.

Material på avancerad nivå om korrosion kommer.

Korrosionstyper

Korrosionsangreppet på en metall kan ha olika förlopp beroende på materialets egenskaper, exponering för den omgivande miljön och på vilka elektrokemiska processer som sker. De finns ett antal olika typer:

Allmän korrosion

Allmän korrosion sker någorlunda jämnt fördelat över metallen. Så länge som materialegenskaperna, fukt, spänningar i materialet och den korroderande miljön är jämnt fördelad så kan man förvänta sig allmän korrosion.

Men om exempelvis metallen är skyddad av en hinna och denna hinna skadas, så kommer korrosionen att bli lokal. Detta sker när billacken skadas och underliggande plåt börjar rosta. Rosten luckrar upp gränsskikten mellan lacken och plåten på ett sätt som underlättar spridningen av rostbildningen. En bra rostskyddbehandlad bil är dock ganska motståndskraftig mot rost.

Galvanisk korrosion

Galvanisk korrosion benämns också bimetallkorrosion. Den uppstår när två olika metaller är i elektrisk kontakt med varandra. Dessutom behövs fukt som kan bilda en elektrolyt där jonerna kan vandra så att det galvaniska elementet får en sluten strömkrets.

Denna typ av elektrokemiska process kan direkt jämföras med reaktionerna i ett galvaniskt element, dvs. i princip ett batteri. Det är metallernas olika redoxpotential som driver reaktionen. Den ädlare metallen, med högre redoxpotential är skyddad genom att den fungerar som katod. Den oädlare metallen med lägre redoxpotential korroderar eftersom den fungerar om anod, där oxidationen sker.

Observera att när det gäller galvaniska element så är det anoden som blir negativ pol och katoden som blir positiv pol. Detta är i motsats till polerna i en elektrolyscell som drivs av en yttre spänningskälla.

Redoxpotential benämns även reduktionspotential. Redoxpotentialerna kan avläsas i en normalpotentialtabell. Normalpotentialtabellen innehåller reaktionerna i den elektrokemiska spänningsserien från ädla till oädla metaller.

Gropfrätning

Gropfrätning uppstår när passiverbara metaller angrips av kloridjoner. Där det skyddande skiktet skadas av kloridjonerna fortsätter korrosionen med högre hastighet. Det resulterar och en lokal korrosion som bildar gropar i materialet.

De olika egenskaperna hos det passiverande skiktet och hos den frilagda metallen skapar ett galvaniskt element där den passiverade ytan är katod och den frilagda metallen i gropen är anod. Eftersom anodens yta är liten, men katodens mycket större, så blir strömstyrkan per ytenhet i gropen hög, vilket gör att angreppet snabbt går på djupet.

Dessutom bildas vätejoner vid oxidationen. I gropen blir alltså elektrolyten surare, vilket ytterligare ökar på korrosionshastigheten där.

Selektiv korrosion

I legeringar finns kristaller med olika sammansättning. I gjutjärn finns kristaller med varierande kolhalt. Det gör att man får ett galvaniskt element som skyndar på korrosionen. Kolet fungerar som katod och järnet som anod. På motsvarande sätt finns kristaller med olika sammansättning i legeringen mässing, som ju innehåller zink och koppar. Den oädlare zinken löses ut selektivt medan kopparen blir kvar.

Spaltkorrosion

I trånga utrymmen blir syrehalten lägre eftersom syret förbrukas när det fungerar som oxidationsmedel, men tillförseln av nytt syre är långsam. I den koncentrationscell som bildas blir den syrefattiga delen anod, där korrosionen ske, och den syrerikare katod. Man kan tycka det är märkligt att korrosionen främst sker där det är brist på oxidationsmedel. Men elektrokemiska redoxreaktioner är speciella genom att oxidationen och reduktionen ofta sker på helt olika platser. Så är inte fallet vid vanliga oxidationer, såsom förbränning.

En koncentrationscell är ett galvaniskt element där polspänningen bestäms av koncentrationen av elektrolyten vid katoden respektive anoden. Hur stor en sådan polspänning blir går att beräkna med hjälp av Nernst ekvation.

Spänningskorrosion

När materialet är utsatt för dragspänningar underlättas korrosionen. Den blir särskilt tydlig om materialet har en passiverande yta. När ytan skadas startar korrosionen. Den skyndas på av sprickbildning som beror på dragspänningen i materialet.

Korrosionsskydd

Det finns i princip fyra olika sätt att undvika korrosion. Man kan

  1. välja ett lämpligare material som inte är benäget att korrodera,
  2. ändra den kemiska miljön,
  3. isolera materialet så det inte kommer i kontakt med den korrosiva omgivningen,
  4. använda polarisering, vilket innebär att man med hjälp av en elektrisk spänning kan motverka de elektrokemiska reaktionerna.

Några praktiska exempel på hur man försöker minska korrosionsproblemen är följande.

  1. I stället för rent järn kan man använda rostfritt stål. Det rostfria stålet är en legering av järn tillsammans med metaller såsom nickel och krom.
  2. I vattenverken tillsätter man kalk för att höja pH. Det gör att vattnet inte blir lika aggressivt mot cementrör och vattenledningar av järn.
  3. Takplåt har en seg och hållbar färg som hindrar vatten och syre att komma i kontakt med plåten. Det gör att plåten inte rostar.
  4. Båtar förses med offeranod som korroderar i stället för båtskrovet eller andra korrosionsbenägna metalldelar.

Materialval

Metaller är benägna att reagera genom att avge elektroner och bilda joner. Exempel är järn, som reagerar enligt följande: Fe → Fe2+ + 2 e

Olika metaller har olika benägenhet att avge sina elektroner. Ädla metaller såsom guld håller hårt om sina elektroner. Inte ens ute i naturen där det finns både syre och surt vatten korroderar guldet. När man bryter guld hittar man det därför i sin gedigna form. Magnesium är däremot mycket oädel. Den korroderar därför snabbt och man finner den inte i metallisk form i naturen.

Eftersom guld är mycket dyrt, så kan man i praktiken inte byta ut järnet mot guld för att slippa korrosionen. Den ganska ädla metallen koppar kan ibland vara ett alternativ. Koppar är visserligen ganska dyr, men om det handlar om små detaljer blir summan överkomlig. Plast är ofta en utmärkt ersättning för metaller. Plaster har i allmänhet mycket goda korrosionsegenskaper. Vissa plaster tål inte organiska lösningsmedel, andra tål inte UV-ljus. Men om det handlar om att leda bort avloppsvatten från en bostad, så är plast det naturliga valet.

Ändring av miljö

Korrosionshastigheten beror på den omgivande kemiska miljön. Det handlar om tillgång på oxidationsmedel som kan plocka elektroner från metallen. Det kan också handla andra ämnen som har förmåga att reagera med metallen. Till exempel är kloridjoner ofta aggressiva mot metaller. Kloridjonerna bildar komplex tillsammans med metalljonerna och hjälper på så sätt att ”rycka loss” metalljoner från den gedigna metallen, vilket gör att korrosionen förstärks. Även tillgång på fukt kan vara avgörande. Järn rostar inte i luft med en relativ luftfuktighet som understiger cirka 60 %. Vid en luftfuktighet över cirka 70 % bildas en tunn vattenfilm på järnet där de kemiska reaktionerna vid rostbildningen kan ske.

Isolering av material

Ett vanligt sätt att skydda mot korrosion är att isolera materialet från den korrosiva omgivningen. Man kan måla metallen med en färg som inte släpper igenom vare sig fukt eller syre. Man kan också olja in metallen med ett skyddande lager. En annan möjlighet är att kontinuerligt ventilera bort korrosiva gaser.

Polarisering

Vid korrosionen sker dels en oxidation där elektroner avges, dels en reduktion där elektroner tas emot. Det är oxidationen som orsakar korrosionen, dvs. när metallatomerna övergår till positiva metalljoner i reaktionen Me → Men+ + n e

Oxidation sker vid anoden och reduktion vid katoden. Om man kopplar en negativ spänning till metallstycket, så kan man tvinga det att bli katod. Metallen kan då inte oxidera. Detta kallas för katodiskt skydd. Anoden kommer då att vara en annan del än metallstycket man vill skydda.

Om metallen man vill skydda är i kontakt med en mer oädel metall, så bildas ett galvaniskt element där metallen som ska skyddas blir katod. Den oädlare metallen blir anod. Exempel på detta är offeranoder av zink eller magnesium på båtar. Offeranoden oxideras och kommer att förbrukas, men så länge det finns något kvar av offeranoden är plåtskrovet skyddat. Ett annat exempel är galvanisering av spik. Galvanisering innebär att spiken får ett tunt lager att zink på ytan. Det gör inget om zinklagret skadas eftersom det katodiska skyddet fungerar så länge som det finns zink kvar någonstans på spiken.

I vissa fall är det möjligt att använda anodiskt skydd, vilket bygger på att metallen visserligen oxideras, men att det samtidigt bildas en tät oxidhinna eller liknande på ytan och isolerar metallen från omgivningen. Oxidationen är då bara tillfällig och avstannar snart. Järn passiveras av koncentrerad salpetersyra, vilket för det möjligt att förvara salpetersyran i järntankar trots att järnet är en ganska oädel metall som brukar reagera med syror. Ett annat sätt att bilda det skyddande oxidlagret är genom anodisering, vilket innebär att man med hjälp av elektrolys tvingar fram en kraftig oxidationsreaktion. Aluminium anodiseras på detta sätt och bildar en tät hinna av aluminiumoxid på ytan. Aluminiumoxidskiktet är dessutom lätt att färga, vilket gör att aluminiumföremål kan göras mycket färggranna.

Rost

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

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

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

Rostproblem

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

Foto: Ó Svante Åberg

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

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

Rödrost i andra sammanhang

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

Material på avancerad nivå om rost kommer.

Rostbildning

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

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

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

Kemiska reaktioner vid rostbildning

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

Reduktionen

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

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

Oxidationen

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

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

Syra-basreaktioner kompletterar rostbildningen

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

Dehydreringsjämvikter kompletterar rostbildningen

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

Syretillgången bestämmer var rostangreppet sker

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

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

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

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

Rostbildning i en vattendroppe

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

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

Laddningsseparationen neutraliseras genom en sluten strömkrets

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

Rosten faller ut i mötet mellan järnjoner och hydroxidjoner

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

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

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

Järn

Järn är ett grundämne med beteckningen Fe, vilket är de två första bokstäverna i det latinska namnet Ferrum. Järn är antagligen den metall som haft störst betydelse för människan genom historien. När man upptäckt hur järn kunde framställas ur malmen, började det gradvis konkurrera ut brons som var känt sedan tidigare. Järnåldern var början på en allt snabbare teknisk utveckling med järn och stål som konstruktionsmaterial som fortsätter än idag.

Sverige har en lång tradition av att framställa järn och stål. Järnmalm bröts tidigt i Bergslagen, men den viktigaste malmbrytningen sker nu i Kirunavaara och Malmberget. Internationellt är ändå Sverige en liten aktör på marknaden.

En viktig egenskap hos järn är att egenskaperna kan förbättras genom inblandning av kol och andra metaller. Kolet ger järnet hårdhet och legeringsmetaller såsom nickel och krom förbättrar seghet, skyddet mot korrosion med mera. Stålet kan också härdas genom upphettning följd av snabb avkylning. Dessutom kan stålet smidas.

En nackdel med järn och stål är att det rostar. Det krävs åtgärder för att minska rostproblemet, vilket man kan göra på flera olika sätt. Trots det kostar korrosionen enorma summor varje år.

Gjutjärn

När järnet tillverkas ur malmen används kol som reduktionsmedel. Kol löser sig i järnsmältan. Om sådant järn får stelna blir resultatet en kollegering av järn som lämpar sig för gjutning, men är inte smidbart.

Stål

Genom färskningsprocesser kan kolhalten minskas. Järn med låg kolhalt kallas stål. Stål finns i många olika kvalitéer där ofta andra metaller också ingår som legeringsämnen. Val av legeringsämnen och halter beror på vilka egenskaper man vill att stålet ska ha.

Stål är smidbart. Själv smidningsprocessen ger förbättrade materialegenskaper genom att kristallstrukturen i järnet förändras.

Järn i människor och djur

Järn är ett livsnödvändigt grundämne för de flesta levande organismer. Järnet ingår i hemgruppen som binder syre för transport via blodbanorna ut i kroppens delar.


Ej syresatt struktur med Chime

Syresatt struktur med Chime

Materialdata för järn

Smältpunkten för rent järn är 1538 °C. Smältpunkten är hög, liksom för flertalet andra metaller, eftersom metallbindningen i materialet är stark. Att värma 1 kg järn från 0 °C till smältpunkten kräver 690 kJ och sedan krävs ytterligare 247 kJ för att smälta det. Fortsätter man värma så når man till slut kokpunkten kokpunkt vid 2862 °C.

Molmassan är 55,847 g/mol. Densiteten vid rumstemperatur är 7,874 g/cm3 och vid smältpunkten 6,98 g/cm3.

De vanligaste oxidationstillstånden är +2 och +3. Eftersom järnet är en relativt oädel metall förkommer den i naturen mest som kemisk förening, ofta förenad med syre eller svavel.

Tekniskt så används järn nästan alltid legerat med andra ämnen. Legeringsämnena förbättrar hårdhet, korrosionsbeständighet osv.

Förekomst

Jordskorpan består till ca 6 % av järn, som är den näst aluminium vanligaste metallen och det fjärde vanligaste grundämnet där. Järnhalterna i jordens inre är betydligt högre, och i jorden som helhet är järn det vanligaste grundämnet med uppskattningsvis ca 35 % av jordklotets totala massa. Även i universum är järn ett ganska vanligt grundämne. Eftersom järn lätt förenar sig med andra grundämnen, främst syre och svavel, är gediget järn ytterst ovanligt i naturen. Det finns som legering dels med endast några procent nickel i fyndigheter främst på ön Disco (Grönland) där det bildats genom en naturlig masugnsprocess, dels med nickelhalter på 34-77 % i den naturligt förekommande legeringen nickeljärn. Vissa meteoriter har också höga järnhalter.

I jordskorpan finns ett stort antal järnhaltiga mineral. De för utvinning av metallen viktigaste är oxider och karbonat. Oxidiska järnmineral är magnetit, Fe3O4, som bildar svartmalm, hematit (järnglans), Fe2O3, som bildar blodstensmalm och limonit (järnockra), FeO(OH)·n H2O, som bildar sjö- och myrmalm. Järn finns också som karbonatet siderit (järnspat), FeCO3, som sulfiden FeS2 (järn(II)sulfid) i mineralen pyrit (svavelkis), markasit och magnetkis, som silikat i t.ex. chamosit, som fosfat i vivianit Fe3(PO4)2·8 H2O och tillsammans med titan i dubbeloxiden ilmenit, FeTiO3.

Världens reserver av järnmalm uppskattas till drygt 290 200 miljoner ton med ett järninnehåll av ca 110 000 miljoner ton. Havsvatten innehåller ca 0,1 mg järn/ton.

Framställning i modern tid

Tekniskt järn är järn som antingen innehåller avsiktligt tillsatta legeringsämnen eller föroreningar som härstammar från utgångsmaterial eller framställningsprocess. Bland legeringsämnen intar kol en specialställning. Kolhalten bestämmer till stor del järnets egenskaper. Järn med kolhalt mindre än ca 2 % kallas stål och är smidbart. Järn med högre kolhalt benämns gjutjärn, tackjärn eller råjärn. Stålframställning från järn sker enligt ett flertal metoder där utgångsmaterialet är smält råjärn eller - om järnframställningen skett i fast form - järnsvamp. Skrot är också ett viktigt utgångsmaterial. Tillverkningsmetoderna behandlas mer ingående under andra uppslagsord, t.ex. bessemerprocess, elektrometallurgi, järnsvampprocesser, Kaldoprocessen, LD-processen, masugnsprocessen, martinprocessen, smältreduktionsprocesser och thomasprocessen. Se även stål och gjutjärn samt metallurgi. Järn och stål är världens viktigaste konstruktionsmaterial; se konstruktionsstål.

Järnframställningens utveckling

Framställning av järn ur malm är känd sedan Hettiternas tid, 1400-talet f.Kr och tidigare. Tillverkning av järn i Sverige anses ha tagit sin början ca 400-500 år f.Kr.; den grundades på sjö- och myrmalm. Brytning av bergmalm började troligen inte förrän på 1100-talet. Framställning av smidbart järn skedde länge direkt ur malm genom en enda process. I början gjordes endast en grop i marken, fodrad med lera eller sten. Bränsle och reduktionsmedel var ved som fick brinna ned till en glöd, varmed rostad myrmalm upphettades och reducerades till järn. Längre fram gjordes även ugnar av sten, som höjde sig över markytan men dock var mycket låga; träkol användes i stället för ved. Luft tillfördes genom naturligt drag vid de äldsta ugnarna. Genom att införa bläster, först hand- eller trampdriven men senare driven av vattenkraft, åstadkom man högre temperaturer. Temperaturen i blästerzonen blev dock inte så hög och atmosfären inte så starkt reducerande att det erhållna järnet smälte till råjärn (tackjärn). Det samlades i halvsmält form på ugnsbottnen och fick brytas ut med jämna mellanrum efter avställning av driften. Man fick fram ett mycket slagghaltigt järn, som genom upprepad upphettning och hamring bearbetades till en för verktyg och vapen användbar produkt.

I strävan att ekonomisera driften av ugnarna ökades ugnshöjden, och luftinblåsningarna gjordes effektivare. Järnets kolhalt ökades därvid och järnet erhölls i smält form. Gångarten avskildes som flytande slagg. Järnet kunde gjutas och användas som utgångsmaterial för framställning av smidbart järn, stål. Denna utveckling från en diskontinuerlig process till en kontinuerlig schaktugnsprocess, masugnsprocessen, skedde under 1100-1200-talen.

För att kunna överföra tackjärn till smidbart järn utvecklade man de primitiva metoderna till de s.k. härdsmides- eller välljärnsmetoderna, t.ex. osmund- (medeltiden), tysk- (1500-talet), vallon- (1600-talet) och lancashiresmide (1800-talet). Som bränsle och reduktionsmedel användes länge träkol i masugnarna. P.g.a. brist på träkol provades som alternativ stenkol i form av koks. Den första stenkolsmasugnen uppfördes i England 1735. I Tyskland byggdes den första koksmasugnen 1767. Genom riklig tillgång på träkol, järnmalm lämplig för masugnsdrift och vattenenergi hade dittills Sverige varit ledande inom järnframställningen (jfr Järnhanteringen i Sverige nedan). I mitten av 1700-talet härrörde 30-40 % av världshandeln med järn från Sverige. Andelen sjönk dock snart mycket kraftigt. I Sverige, som saknar inhemska koksande stenkol, började träkol ersättas med koks först under de första åren av 1900-talet.

Under 1900-talets första hälft byggdes i Sverige ett flertal elektromasugnar för råjärnsframställning. I dessa ersätts bränslet av el, och reduktionsmedlet utgörs av träkol eller koks (stenkol). Från 1960-talet sker all framställning i Sverige i masugnar med koks som bränsle och reduktionsmedel.

Vid sidan av masugnsprocessen har under 1900-talet järnsvampprocesser utvecklats, där järnmalmen reduceras i fast fas i schaktugn med gas, numera framställd ur naturgas, eller i roterugn eller tunnelugn med stenkol och koks. Denna råjärnsframställningsmetod tillämpas numera endast i ringa utsträckning i Sverige. Här hade den dock stor betydelse i mitten av 1900-talet. Ett intensivt arbete pågår under 1990-talet i olika delar av världen för att utveckla en ny typ av järnframställningsprocesser - s.k. smältreduktionsprocesser - där agglomererade järnmalmer (sinter) ersätts av järnmalmspulver (slig), koks ersätts av stenkolspulver och masugnen oftast ersätts av en konverter.

Råjärnsproduktionen i Sverige uppgick under 1990-talet till ca 3 miljoner ton per år och sker i två masugnar vid SSAB, Luleå, och två masugnar vid SSAB, Oxelösund. Järnsvamp framställs i Höganäs i en kvantitet om 100 000-120 000 ton per år. Järnsvampen används som utgångsmaterial för järnpulver.

Av det råjärn som tillverkas i världen (537 miljoner ton 1998) utgör 93,1 % masugnsråjärn; resten är järnsvamp som framställs huvudsakligen i länder där billig naturgas är tillgänglig som bränsle och reduktionsmedel.

Järnets egenskaper

Naturligt järn består av en blandning av fyra stabila isotoper med masstal 54, 56, 57 och 58. Ett tiotal radioaktiva isotoper är dessutom kända.

Rent järn är en silvervit, plastiskt formbar och ej särskilt hård metall, som är ferromagnetisk upp till Curie-punkten vid 768 °C. Om en järnmagnet upphettas över denna temperatur, förlorar den sin magnetisering. Järn har tre allotropa modifikationer. Det vid vanliga temperaturer stabila s.k. α-järnet med en rymdcentrerad, kubisk struktur övergår vid 906 °C till en ny modifikation, g-järn, som har ytcentrerad kubisk struktur, är paramagnetiskt och kan bilda fasta lösningar med järnkarbid (cementit) Fe3C, vilket utnyttjas vid stålframställning. Vid 1 403 °C bildas en ny allotrop modifikation, δ-järn, med rymdcentrerad, kubisk struktur, som är stabil upp till smältpunkten. Rent järn leder elektrisk ström ca sex gånger sämre och värme ca fem gånger sämre än koppar.

Rent järn är stabilt i torr luft och i vatten som inte innehåller syre eller koldioxid. Metallen reagerar däremot lätt med utspädda syror under bildning av vätgas. I koncentrerade oxiderande syror som salpetersyra eller sura dikromatlösningar överdras ytan med ett tätt lager av järn(III)oxid, Fe2O3, som skyddar mot vidare angrepp (s.k. passivering). Järn reagerar även med varm koncentrerad natriumhydroxid under vätgasutveckling och bildning av järn(III)hydroxidfällning. I fuktig luft eller i syrehaltigt vatten överförs metallen snabbt till järn(III)oxidhydroxid, FeO(OH), rost. Järn reagerar direkt med de flesta icke-metaller. I finfördelad form brinner järn i luft (är pyrofor) och metallen reagerar också direkt med svavel, halogener, kol och fosfor. Järnets fysikaliska och kemiska egenskaper varierar kraftigt med halten kol och lösta metaller.

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

Luftens löslighet i vatten

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

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

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

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

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

Henrys lag

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

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

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

Koldioxiden har särskilt hög löslighet i vatten

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

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

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

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

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

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

Temperaturberoendet hos gasers löslighet

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

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

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

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

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

Övermättad lösning

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

Vatten

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

Vattnets ovanliga egenskaper

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

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

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

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

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

Vattnet är livsnödvändigt

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

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

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

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

Vattnet blev referens för temperaturskalan

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

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

Vätebindningar karaktäriserar vattenmolekylen

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

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

Vätebindningarna ger hög ytspänning

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

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

Vinklad molekyl ger hexagonal struktur

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

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

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

Vattnets syra-basegenskaper

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

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

Natriumklorid

Natriumklorid är en kemisk förening av natrium och klor med formeln NaCl. I dagligt tal säger via bara "salt" eller "koksalt" när vi talar om natriumklorid, men det är bara ett av många olika salter som existerar. Koksalt är ett lättlösligt salt. Det används i matlagningen för smaksättning, men det fungerar också som konserveringsmedel. Bakterier kan nämligen inte växa om salthalten blir för hög.

Det finns olika kvalitéer av natriumklorid.

  1. Råsalt - Om man samlar vattnet från t ex hav eller sjö i stora bassänger (s.k. saliner) och låter vattnet avdunsta kan man ta vara på det salt som naturligt finns i vattnet. I riktigt varma länder kan salt också utvinnas när naturliga saltöknar bildas. Bergssalt etc utvinns från berggrunden i speciella saltgruvor. Råsalt är ett orenat salt med stora korn, som man vanligen ser i form av ett grovsalt och det kan ha olika färgtoning.
  2. Natriumklorid - Den rena formen tillverkas genom att naturligt råsalt löses i vatten, kokas och omkristalliseras. Det kan också tillverkas kemiskt när klor får reagera med natrium, reaktionen är mycket häftig och utvecklar både starkt gulaktigt sken och intensiv värme. Saltet som bildas är ett fint, vitt kristalliniskt pulver eller färglösa, vitaktiga kristaller.
  3. Hushållssalt - Råsaltet renas, natriumklorid/renat råsalt ges tillsatser. Dagens hushållssalt känner vi igen som vitt, finkornigt och lättrinnande.

Förekomst

Både natrium och klor är mycket reaktiva ämnen och förekommer därför inte som rena ämnen i naturen. Eftersom natriumjonerna och kloridjonerna har motsatt elektrisk laddning attraheras de kraftigt till varandra och bildar då koksalt.

Natriumklorid finns i stora mängder i haven. Ursprungligen kommer saltet från berg som vittrat och lakats ur av vatten. Vattnet har runnit ned till havet där saltet blivit kvar. Havsvattnet avdunstar och bildar moln som sedan fäller sitt vatten över land. Vattnet ingår därför i ett kretslopp. Men koksaltet kan inte avdunsta. Därför stannar saltet kvar i haven.

Det händer att hav torkar in. Ett aktuellt exempel är Aralsjön i Centralasien. Ett annat exempel som inträffade för ungefär 6 miljoner år sedan var när Medelhavet blev torrlagt därför att det tappade kontakten med Atlanten. Vattnet avdunstande och det bildades en saltskorpa som på sina ställen var flera hundra meter tjock. Saltavlagringarna begravdes sedan så att de nu är gömda i underjorden. Sådana geologiska händelser kan föra bort natriumklorid från havsvattnet, och det har hänt många gånger i jordens historia.

Utvinning av salt sker dels genom brytning i gruvor där man har saltavlagringar, dels genom att låta havsvatten avdunsta och samla ihop saltet som blir kvar. Saltet är inte rent koksalt, för det finns även mindre mängder av bland annat magnesiumklorid i havsvattnet. Salthalten i de stora världshaven ligger kring 2,5 – 3,5 %. Av detta salt utgör natriumkloriden cirka 78 %.

Användning

NaCl har i alla tider varit av mycket stor kommersiell betydelse och är nu en av de allra viktigaste industriråvarorna. Den är råvara för praktiskt taget alla natrium- och klorföreningar och förbrukas dessutom i stora mängder som krydda och konserveringsmedel för olika matvaror.

Koksaltet blev tidigt en av världens viktigaste handelsvaror. Under medeltiden bröts stora mängder salt i gruvor i Tyskland och Österrike. Saltet forslades sedan norrut via den så kallade Saltvägen, Via Salaria. När Indien frigjorde sig från Storbritannien demonstrerade man symboliskt mot den Brittiska överhögheten med att genomföra en marsch som protest mot saltskatten.

Koksalt används som issmältningssalt (vägsalt) på våra vägar vintertid. Saltet sänker smältpunkten för is, vilket gör att om temperaturen bara ligger på enstaka minusgrader så kan isen töa bort. Problematiskt är att saltet skadar grundvatten och växtlighet och att det orsakar kraftig rostbildning på fordon och släp som inte har ett fullgott rostskydd.

Egenskaper hos natriumklorid

Kristall av natriumkloridtyp,
med kubiskt gitter.

Koksalt, NaCl, kristalliserar vanligen i kuber med en struktur av natruimkloridtyp. Om kristallisationen sker ur vattenlösning uppstår lätt vatteninneslutningar som vid upphettning sprängs med ett knastrande ljud, saltet ”dekrepiterar”. Smältpunkten för natriumklorid är 801 ºC, kokpunkten 1440 ºC. Som mineral kallas natriumklorid ofta stensalt och är ofta blåfärgat. Den blå färgen beror på närvaron av så kallade F-centra, som troligen uppstått genom strålning från radioaktiva kaliumatomer, 40K, som är inbyggda i kristallen.

Ren natriumklorid är inte hygroskopisk, men handelns koksalt är ofta förorenad av hygroskopiska magnesiumsalter som gör att saltet tar upp fukt från luften.

Fysiologisk saltlösning i människor och djur

Man är ganska säker på att livet en gång uppstod i haven och att levande varelser därefter sökte sig upp på land. Djurens kroppsvätskor innehöll salt, och det är ett arv som vi har från forntiden. Salthalten i kroppens celler är 0,9 %. En saltlösning med denna koncentration kallas för fysiologisk saltlösning. Om man injicerar vätska i kroppens vävnader eller i blodomloppet måste salthalten vara fysiologisk. Annars sker osmos som antingen får cellerna att torka ut eller att svälla och kanske spricka.

Osmos är när vatten vandrar genom ett halvgenomträngligt membran från den sida där det finns mest vatten, vilket är på den sida av membranet som salthalten är lägst, och vandrar till den andra sidan av membranet där vattenhalten är lägre och salthalten högre. Om man injicerar rent vatten kommer cellerna att ta upp vatten, svälla och kanske spricka. Om man injicerar vätska med för hög salthalt skrumpnar cellerna när vattnet vandrar ut ur dem.

Man kan utnyttja att saltet drar ut vatten ur cellerna för att konservera matvaror. Bakterier, mögel och annat kan då inte växa eftersom de torkar ut. Då förstörs inte heller maten. Salt sill från Norge och salt fläsk från Amerika var basföda för en stor del av befolkningen i Sverige förr i tiden. Nu vet vi att det inte är nyttigt att äta för mycket salt. Saltet tenderar att höja blodtrycket. Det har också med osmosen att göra.

Men kroppen behöver salt. När människor och djur inte har tillgång till salt så blir saltet åtråvärt. Älgar och renar är förtjusta i saltstenar som man sätter upp. De får inte i sig så mycket salt i den mat de äter naturligt.

Allvarlig saltbrist kallas hypnoatremi och är ett tillstånd där halten natriumjoner och blodet är för lågt. Normalt har njurarna kapacitet att utsöndra överflödigt vatten, men det har hänt att personer i samband med sportutövning eller bantning har druckit extremt mycket vatten under kort tid och råkat ut för vattenförgiftning. Kroppens celler tar då upp vatten och sväller till onormal storlek. Symptom är desorientering, huvudvärk och yrsel som uppstår när blodflödet hindras. Man blir illamående och talet blir sluddrigt. Tillståndet är allvarligt och kan i sällsynta fall leda till döden. LD50 är den dos som gör att 50 % av personerna avlider. För vatten är LD50 ≈ 6 liter för en vuxen person.

Motsatsen, för högt intag av koksalt, är också farligt. För natriumklorid är LD50 ≈ 12 g NaCl/kg kroppsvikt. Om du t.ex. väger 50 kg så är risken att avlida 50 % om du äter 600 g koksalt.

Magnesiumklorid

Magnesiumklorid, MgCl2, är ett lättlösligt salt bestående av jonerna Mg2+ och Cl. Den är mycket hygroskopisk och binder upp vatten i varierande mängd. Därför kan formeln skrivas MgCl2·x H2O där x är ett okänt antal. På grund av sin förmåga att ta upp vatten kan magnesiumkloriden delikvescera, dvs. ta upp så mycket vatten från luftens fuktighet att det går i lösning och blir flytande.

Magnesiumklorid finns som förorening i koksalt och kan göra att blir koksaltet fuktigt och bakar ihop sig. Magnesiumklorid används som vägsalt för att binda damm sommartid. Det är också effektivt som issmältningssalt.

Växter behöver magnesium i sitt klorofyll och i enzymreaktioner för proteinsynter och för DNA-syntes. Därför tillför man ibland magnesium som gödningsmedel. Vid brist på magnesium, t.ex. hos potatis, så tenderar bladen att blekna och bli gulna mellan bladnerverna.

Fakta på avancerad nivå om magnesiumklorid kommer.

Litteratur

  1. Korrosion, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Korrosion (2015-10-02)
  2. Rost, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Rost (2015-10-02)
  3. Hägg, G. (1989). Allmän och oorganisk kemi. (9. uppl.) Stockholm: Almqvist & Wiksell.
  4. Mattsson, E. & Kučera, V. (2009). Elektrokemi och korrosionslära. (3. omarb. uppl.) Stockholm: Swerea KIMAB.
  5. Korrosionsegenskaper, Konstruktörslotsen, IVF Industriforskning och utveckling AB
    http://lotsen.ivf.se/?path=/KonsLotsen/Bok/Kap3/Korrosionsegenskaper.html (2016-03-10)
  6. Rust Chemistry, Corrosion Doctors
    http://www.corrosion-doctors.org/Experiments/rust-chemistry.htm (2016-03-10)
  7. An Introduction to Saturated Vapour Pressure, Jim Clark, Chemguide
    http://www.chemguide.co.uk/physical/phaseeqia/vapourpress.html (2016-03-10)
  8. Raoults Law and non-volatile solutes, Jim Clark, Chemguide
    http://www.chemguide.co.uk/physical/phaseeqia/raoultnonvol.html (2016-03-10)
  9. Rostfritt stål, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Rostfritt_st%C3%A5l (2016-03-10)
  10. Equilibrium ReIative Humidity Saturated SaIt Solutions, omega.com
    http://www.omega.com/temperature/z/pdf/z103.pdf (2016-03-10)
  11. Saturated salt solutions for controlling relative humidity, Tim Padfield, Conservation Physics
    http://www.conservationphysics.org/satslt/satsol.php (2016-03-10)
  12. Relative Humidity, Hyper Physics
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/relhum.html (2016-03-11)
  13. Vapor Application Concepts, Hyper Physics
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/vapcon.html#c1 (2016-03-11)
  14. Creating constant air humidity in closed vessels, Quantifoil Instruments
    http://www.qinstruments.com/uploads/media/humidity.pdf (2016-03-11)
  15. Constant humidity solutions, SSERC
    http://www.sserc.org.uk/index.php/bulletins226/2003/208-spring-2003/1346-constant-humidity-solutions329 (2016-03-11)
  16. The Corrosion Resistant Delhi Iron Pillar, Dr. R. Balasubramaniam, Information Cell
    http://www.iitk.ac.in/infocell/Archive/dirnov1/iron_pillar.html (2016-03-11)

Fler experiment


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
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
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför äter vi Samarin?
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

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