Kognitiva begrepp del 1

Tillhör kategori: urval experiment under revidering

Författare: Svante Åberg

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

...

Fördjupning

Aggregationsform

Faserna och fasövergångarna

Allt som finns runtomkring oss är antingen fast, flytande (vätska) eller i gasform. Dessa former kallas aggregationsformer (aggregation = hopklumpning) eller faser. Atomerna (eller molekylerna) i de olika faserna har olika stort energiinnehåll, olika stor rörelse, och har därför olika volym.

Fast form vid låg temperatur

Vid den absoluta nollpunkten, -273°C = 0 K, finns ingen atomrörelse (K är Kelvin, enheten för absolut temperatur). Alla ämnen är fasta och atomerna ligger regelbundet ordnade så tätt som möjligt. Om temperaturen höjs börjar atomerna vibrera kring sina jämviktslägen. Det fasta ämnet behåller sin form och inom måttliga temperaturintervall och volymen är nästan konstant. Massan är densamma.

Den lilla utvidgning som sker vid värme kan räcka för att lossa en mutter genom att värma på den. Förr var man tvungen att lägga järnvägsräls med mellanrum i skarvarna, för att undvika att rälsen böjde sig under varma dagar, s.k. solkurva. Nutidens järnvägsräls läggs av en formbeständigare metallblandning.

Övergår till vätska (blir flytande) när temperaturen når smältpunkten

När temperaturen stiger ytterligare rubbas atomerna ur sina jämviktslägen. De börjar glida i förhållande till varandra och har blivit en vätska. Fasövergången sker vid smältpunkten. Så länge det finns fast material ligger temperaturen kvar på smältpunkten och stiger inte, även om man tillför värme. Det beror på att all energi går åt till fasövergången. Vätskor ändrar form efter de kärl de förvaras i och har i allmänhet något större volym än samma ämne i fast form (Känt undantag är is, som har större volym än samma mängd vatten pga lucker kristallstruktur hos isen). Mellan molekylerna i vätskan finns sammanhållande krafter. Massan är densamma i vätskan som i den fasta fasen.

Övergår till gas när temperaturen når kokpunkten
En gas fyller upp hela det kärl som den förvaras i.
Bild: © Svante Åberg

Om temperaturen i vätskan höjs, ökar molekylernas rörelseenergi och till slut får några så stor energi att de lämnar den flytande fasen. Övergången från vätska till gas sker när temperaturen nått kokpunkten. Det har bildats en gas. Gasen har ingen bestämd form. Den anpassar sig efter det utrymme den finns i, eftersom molekylerna är helt fria från varandra och färdas rakt fram ända till dess de stöter på någonting, som kan vara kärlets väggar. De krockar också med varandra och byter riktning men dessemellan färdas de "långa" sträckor i absolut tomrum. Gasen har mycket större volym än samma mängd ämne i flytande form och molekylerna i en gas är så långt ifrån varann att de inte påverkar varann. Därför blandas olika gaser lätt. Volymen hos en gas är beroende av temperaturen. Med högre temperatur ökar molekylernas rörelsehastighet, krockarna mellan molekylerna och väggarna blir hårdare. Kollisionerna med väggarna är det vi kallar tryck. Kan väggen utvidgas ökar volymen, i annat fall ökar trycket. Massan är densamma.


Fasövergångarna har bestämda namn. När temperaturen öker sker smältning och förångning (kokning). När temperaturen minsakar sker de motsatta processerna som kallas kondensation och stelning. Observera att smältpunkten och stelningspunkten är exakt samma temperatur. På motsvarande sätt är kokpunkten och kondensationspunkten (för den rena gasen) samma temperatur.

Sublimering


Fasdiagram för koldioxid.
Ben Finney Mark Jacobs: CC0

Fasta ämnen kan övergå direkt till gas utan att först bli vätska. Förutsättningen är att temperatur och tryck befinner sig under ämnets trippelpunkt i ett fasdiagram. Man säger att ämnet sublimerar. Det är en endoterm process, dvs. en process som kräver energitillförsel. Oftast tas energin i form av värme från om givningen, vilket innebär att temperaturen sjunker.

Den motsatta processen när gas övergår direkt till fast form utan att först bilda en vätska kallas desublimering eller deposition. Den processen är exoterm, dvs. avger energi, vanligen i form av värme. Även denna process kan bara ske när tryck och temperatur ligger under ämnets trippelpunkt.

Superkritisk vätska

Över en viss temperatur och visst tryck går det inte längre att urskilja någon fasgräns mellan vätska och gas. Densiteten är hög, praktiskt taget som hos en vätska. Den höga temperaturen får molekylerna att fritt röra sig mellan faserna så att fasgränsen upplöses.

Den superkritiska vätskan har egenskaper utöver det vanliga. Den har förmåga att diffundera genom många fasta material på samma sätt som en gas gör. Samtidigt har den förmåga att lösa ämnen på samma sätt som en vätska gör. Förmågan att fungera som lösningsmedel gör att den i vissa tillämpningar kan ersätta organiska lösningsmedel, till exempel i extraktioner.

Koldioxid är ett ämne som ofta används i tillämpningar med superkritiska vätskor.

Plasma är en fjärde aggregationsform

De tre vanliga aggregationsformerna fast, flytande och gas bestäms av bindningarna mellan atomerna eller molekylerna. Ju varmare det är, desto lösare är atomer och molekyler kopplade till varandra.

Men vid tillräckligt hög temperatur sker någon helt annorlunda, nämligen att elektroner i atomerna slits loss och man får en blandning av positiva atomjoner och fria elektroner. Det är en typ av gasblandning som är elektriskt ledande.

Solen innehåller plasma

Sådan plasma finns i solens atmosfär. Eftersom den är elektriskt ledande, så fångar plasman också upp de starka magnetfälten från solens inre. Vid soleruptioner slungas plasma ut i världsrymden och man kan se hur magnetlinjerna i plasman håller samman plasman i böljande stråk. Dessa utkastningar av laddade partiklar strålar sedan vidare ut från solen och når så småningom jorden. Eftersom rymden är så tom har elektronerna och atomjonerna svårt att hitta varandra igen och återförenas till normala atomer. Därför är partikelstrålningen från solen elektriskt laddad. När partiklarna kommer in i jordens magnetfält tunnlas de ned via magnetfälten vid nord- och sydpolen. När de laddade partiklarna kommer ned till jordatmosfären sker kollisioner med luftens atomer och molekyler. De energier som då utvecklas ger det norr- och sydsken som man kan se mörka, klara vinternätter.

Andra exempel på plasma

I blixtar blir också temperaturen tillräckligt hög för att luftens atomer ska bilda plasma. Det gör att elektriska urladdningar kan ske via blixtens väg mellan molnen och jorden.

En eldslåga innehåller plasma. Faktiskt avger en stearinljuslåga joner till den omgivande luften. Dessa joner kan urladda statisk elektricitet. Om du har en dammvippa av syntetiska fibrer och du har laddat upp den med statisk elektricitet, så kan du observera vad som händer om du närmar den ett brinnande ljus. Redan på håll, så urladdas den statiska elektriciteten. Det beror på att jonerna accelereras till vippan av det elektriska fältet kring den statiskt uppladdade vippan. Detta experiment fungerar bara om luften är tillräckligt torr, annars kan man inte ladda upp vippan. Därför fungerar experimentet bäst vintertid då inomhusluften är torrare.

Konstgjord plasma finns också i lysrör och i plasmaskärmar för datorer.

Fasövergångar och bindningar

Det är lätt att konstatera att smält- och kokpunkter för ämnen kan variera mycket. Vissa ämnen är svåra att tänka sig på annat än ett sätt till vardags. Sten, koksalt och stål är fasta, bensin och alkohol är flytande och luft och gasol är gaser. Många vet också att i extrema fall, t ex i vulkaner, flyter mineralerna (stenen) och att när man svetsar flyter stålet. Det enda ämne man i vardagen möter i alla tre aggregationsformerna är vatten.

Starka bindningar ger höga smält- och kokpunkter

Mineraler och metaller är alltså exempel på ämnen med hög smältpunkt. Att det är så beror på styrkan hos de bindningar som håller ihop ämnena. Alla salter är uppbyggda av joner.

Attraktionskraften mellan positiva och negativa joner, jonbindning, är stark och salter har därför hög smältpunkt.

Mellan de enskilda atomerna i en metall finns metallbindning. Metallbindningen utgörs av de ingående atomernas valenselektroner som bildar ett gemensamt elektronmoln för hela "metallbiten". För att bryta den bindningen krävs mycket energi, vilket ger hög smältpunkt. Ett känt undantag är kvicksilver, en metall som är vätska vid rumstemperatur och alltså har svagare metallbindning.

Även kovalent bindning när atomer delar elektroner kan vara mycket stark. Faktum är att diamant och grafit, kolatomer sammanhållna av kovalenta bindningar har högre smältpunkt än alla metaller.

Svaga bindningar ger låga smält- och kokpunkter

Ämnen uppbyggda av molekyler (eller atomer som i ädelgaserna) har starka kovalenta bindningar mellan atomerna inom molekylerna men svagare bindningar mellan molekylerna. Det gör att smält- och kokpunkten blir relativt låg.

Den svagaste bindningen finns mellan molekyler och atomer är van der Waalsbindning. Den uppkommer pga mycket tillfälligt ojämnt fördelade elektronmoln hos opolära molekyler (atomer). Bindningarna finns både i fast fas och vätskefas. Eftersom bindningen är så svag blir smältpunkten låg, i många fall nedåt eller under -200°C. Den svaga bindningen gör också att skillnaden mellan smält- och kokpunkt blir liten.

Mellan ämnen som är dipoler förekommer dipol-dipolbindning där den positiva polen hos en molekyl attraherar den negativa hos nästa. Smält- och kokpunkten blir låg men högre än med enbart van der Waalsbindning.

För vissa ämnen som är dipoler är smält- och kokpunkten oväntat hög och avståndet mellan smält- och kokpunkten relativt stort. Vatten är ett bra exempel på detta. Det måste bero på starkare bindning än enbart mellan dipoler. De ämnen som har de egenskaperna innehåller alla väte. Vätet är bundet till en fluor-, syre- eller kväveatom, som drar till sig elektronparet i bindningen. Vätet blir positivt och kan attraheras av icke-bindande elektronpar på t ex en syreatom på en intilliggande molekyl. Det bildas en vätebindning. Den är starkare än van der Waalsbindningen och dipol-dipolbindningen. Vätebindningar har stor betydelse för att stabilisera strukturen i bl a proteiner och DNA.

Avdunstning

Avdunstning (förångning) innebär att molekylerna i en vätska sliter sig loss från vätskefasen och övergår till gasfas. Normalt talar man om avdunstning för temperaturer som ligger under kokpunkten, men kokning innebär bara att avdunstningen blir snabbare.

Avdunstningen innebär en fasövergång, att molekylerna övergår från att vara i vätskeform till att vara i gasform. Vätskan och gasen är olika faser av samma ämne. Med en fas menar man ett område där ämnet ser likadant ut, t.ex. att det är flytande eller fast.

Motsatsen till avdunstning är kondensation, dvs. när en gas övergår till vätska.

Vattnet blir kallare när det det avdunstar

Avdunstning
Bild: © Svante Åberg

Vatten i ett öppet kärl avdunstar. Avdunstningen är en process om kräver energi, faktiskt samma energi som när vattnet förångas genom kokning. Mellan vattenmolekylerna finns attraktionskrafter. När en molekyl ska lämna vattenytan måste den övervinna dessa attraktionskrafter, som vill dra den tillbaka. Det kräver energi.

Vattenmolekylerna har rörelseenergi. Ju varmare vattnet är, desto snabbare rör sig molekylerna. I vatten av en viss temperatur rör sig dock några molekyler snabbare och några långsammare. De snabbaste vattenmolekylerna är de som lättast lämnar vätskeytan och förvinner ut i luften. Kvar blir de långsammare, "kallare", molekylerna. Vattnets temperatur sjunker därför på grund av avdunstningen.

Andra vätskor beter sig på samma sätt som vatten. Skillnaden är hur starka bindningarna är mellan molekylerna i vätskefasen. Till exempel är bindningarna mellan etanolmolekyler svagare än bindningarna mellan vattenmolekyler. Det innebär att etanol avdunstar snabbare vid samma temperatur. Även om varje etanolmolekyl inte för bort lika stor energimängd från lösningen, så kan avdunstningen vara så snabb att avkylningseffekten ändå blir större än för vatten räknat per tidsenhet. Men avdunstningen kan inte pågå lika länge eftersom all etanol har avdunstat långt innan allt vatten har hunnit avdunsta.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Gas

Gaser har speciella egenskaper som skiljer dem från vätskor och fasta ämnen. I en gas är avståndet mellan partiklarna mycket större än i en vätska. Avståndet är så stort att det inte finns några intermolekylära krafter som håller ihop partiklarna. De rör sig med stor hastighet, oordnat och fritt från varandra.

Gastryck av molekylernas kollisioner

En molekyl är väldigt liten, men det finns väldigt många! Varje gång en molekyl stöter emot ytan, på en burk t ex, så ger den en liten rekyl som tenderar att stöta bort föremålet. Alla molekylernas stötar ger tillsammans ett tryck som är större än man normalt föreställer sig. Vid normalt lufttryck är kraften 1000 N per dm2. Det motsvarar tyngden av 100 kg på varje kvadratdecimeter eller tyngden av 10 ton på varje kvadratmeter!

Att inte burkar, människor, fotbollar med mera trycks ihop av de väldiga krafterna beror på att det finns ett mottryck inifrån som är lika stort.

I figuren nedan ser man att det är fler molekyler som kolliderar med väggen på vänster sida än på höger. Gastrycket är alltså högre på vänster sida om väggen.

Gastrycket orsakas av molekylernas många små stötar. Gastrycket till vänster om väggen är högre därför att det är fler kollisioner.
Bild: © Svante Åberg

Kollisionerna på ömse sidor om väggen är ungefär lika kraftiga, vilket betyder att partiklarna rör sig ungefär lika fort. Man kan alltså dra slutsatsen att temperaturen är densamma på båda sidor om väggen.

Temperatur, kärlets volym och substansmängden påverkar trycket

Partiklarna kolliderar med varandra och med det omgivande kärlet. Det utgör gasens tryck. Trycket hos en gas beror på flera saker:

Alltså, trycket är proportionellt mot absolut temperatur och substansmängd och omvänt proportionellt mot volymen. Detta kan sammanfattas i Allmänna gaslagen.

Allmänna gaslagen:
pV = nRT
p = tryck, Pa
V = volym, m3
n = substansmängd, mol
T = temperatur, Kelvin
R = proportionalitetskonstant = 8,3145 J K-1 mol-1

Molvolym

Gasmolekylernas sammanlagda volym är väldigt liten i förhållande till gasens totala volym. Detta gör att en viss substansmängd av i stort sett alla gaser har samma volym vid samma tryck och temperatur. Gaserna har samma molvolym, och vid standardtryck och standardtemperatur (STP: p = 1 atm = 101,325 kPa = 1,01325 bar, T = 25 °C = 298,15 K) är molvolymen 24,47 dm3/mol.

Gasens densitet

Enklast är att räkna på en mol av gasen. Till exempel väger en mol koldioxid (CO2) 12,0 g + 2·16.0 g = 44,0 g. Vid standardtemperatur och tryck (se ovan) är molvolymen 24,47 dm3. Då är densiteten 44,0 g/24,47 dm3 = 1.80 g/dm3.

Luft består till ungefär 20% av syrgas (O2) och 80% kvävgas (N2). En mol syrgas väger 2·16.0 g = 32.0 g. En mol kvävgas väger 2·14.0 g = 28.0 g. En mol luft innehåller 0,20 mol syre och 0,80 mol kväve. En mol luft väger då 0,20·32,0 g + 0,80·28,0 g = 28,8 g. Vikten genom molvolymen blir då 28,8 g/24,47 dm3 = 1.18 g/dm3.

Dessa två beräkningar visar att koldioxid är tyngre än luft. Därför sjunker koldioxid till marken när den släpps ut i luften.

En motsvarande beräkning av densiteten för vattenånga (H2O) ger densiteten 18,0 g/24,47 dm3 = 0,73 g/dm3. Man kan alltså se att vattenångan är mycket lättare än luften. Därför stiger vattenånga som avdunstar från marken och vattendragen uppåt i osynliga bubblor av ånga. När vattenångan kommit tillräckligt högt är temperaturen så låg att den kondenserar till vattendroppar och blir synlig i form av moln.

Gaspartiklarnas rörelseenergi

Gaspartiklarna rör sig slumpmässigt, men i genomsnitt har de en rörelseenergi som motsvarar temperaturen. Ju högre temperaturen är, desto snabbare rör sig partiklarna. Temperaturen är därför ett mått på gaspartiklarnas rörelseenergi.

När man har en blandning av gaspartiklar som väger olika mycket, så får olika tunga partiklar ändå samma genomsnittliga rörelseenergi. Det innebär att tunga gaspartiklar rör sig långsammare än lätta gaspartiklar, annars skulle inte rörelseenergierna vara lika.

Till exempel rör sig vätemolekyler (H2) med molekylmassan 2 u 3.74 gånger snabbare än kvävemolekyler (N2) med molekylmassan 28 u. Man skulle kunna tro att vätet skulle röra sig 14 gånger snabbare eftersom kvävet är 14 gånger tyngre, men rörelseenergin är proportionell mot kvadraten på hastigheten. Därför blir kvoten mellan hastigheterna √ 28/2 = √ 14 = 3.74.

Brand

Med brand menas ofta eld som man tappat kontrollen över, åtminstone delvis. Ett gammalt talesätt är att ”elden är en god tjänare, men en sträng herre”. Risken för eldsvåda var mer näraliggande förr i tiden när husen var timrade, taken var täckta med träspån och man eldade i spisen för att laga mat och få värme. Små misstag, som att en gnista hamnade på fel ställe där den kunde starta en eld, kunde lätt ske.

Numera är riskerna för bränder mindre, men bränder orsakar fortfarande stora skador och tar ibland liv. Enligt statistik är de vanligaste orsakerna till brand i bostaden elfel, levande ljus, rökning, och köksspisen. Slarv och misstag ligger bakom flertalet bränder, men också bristande underhåll av till exempel elektrisk utrustning eller utebliven sotning av skorstenar.

Förutsättningar för brand illustreras av brandtriangeln


Brandtriangeln anger vad som krävs för brand.
"Fire triangle" av Gustavb" CC BY-SA 3.0

Eld är en kemisk reaktion där brännbara gaser reagerar med luftens syre under stark värmeutveckling. Vi ska titta närmare på vad som krävs för att underhålla en brand. En symbolisk figur som beskriver detta är den så kallade brandtriangeln. Om alla tre sidorna i triangeln föreligger, så är brand möjlig.

Det som behövs är: bränsle, syre, värme.

Bränsle

Bränsle är sådant som kan reagera med oxidationsmedel, såsom luftens syre.

Bränslet är nästan alltid organiskt material som har bildats med hjälp av fotosyntesen. Energin i solstrålningen har på så sätt lagrats i biomassan.

Ved är ett exempel på bränsle som bildas kontinuerligt i våra skogar. Kol, olja och naturgas är fossila bränslen som en gång i tiden var ved, blad och döda djur som gömdes under sediment och så småningom under årmiljonerna omvandlades till sin nuvarande form. De fossila bränslena skapades också genom fotosyntesen, vare sig de kommer från växter eller djur. Djuren fick ju sin energi genom att äta av växterna.

I princip kan även metaller vara bränslen, men det är ovanligt. Aluminium eller magnesium i är dock mycket brandfarligt om man väl fått eld på det. I solida block antänds metallen inte så lätt, men i pulverform kan branden bli explosionsartad.

Om det saknas bränsle, så kan det inte brinna. Stoppar du inte in fler vedträn i brasan, så kommer veden att ta slut och elden slockna, även om eldstaden är tillräckligt het och det är god syretillförsel.

Syre

Syret har förmågan att oxidera bränslet. Elden är alltså en redoxreaktion där syret är oxidationsmedel och bränslet reduktionsmedel. Även andra oxidationsmedel än syre kan underhålla förbränning. Till exempel kan man lika gärna elda i klorgas som i syrgas. Men syret finns ju överallt i luften, så i praktiken är det syret vi talar om när vi pratar om brand.

När syret reagerar med bränslet så sker en förbränning, vilket innebär att kol och syre bildar koldioxid och väteatomer i bränslet reagerar med syre till vatten. Har vi ett "rent" bränsle, så blir reaktionsprodukterna bara koldioxid och vatten. Förbränningsreaktionen är exoterm, dvs. avger värmeenergi. Kvar blir reaktionsprodukterna koldioxid och vatten, som är energifattiga.

Det krävs en kontinuerlig syretillförsel för att branden ska fortsätta. Om man täcker över elden, så kommer syret inte åt. Då slocknar elden. Vill man i stället få igång elden, så kan man blåsa på den. Den ökade syretillförseln ökar på reaktionshastigheten. Den ökade reaktionen ger kraftigare värmeutveckling och elden flammar upp.

Det är också den ökade syretillförseln som gör att brandrisken är mycket större när det blåser. Det handlar inte bara om att gnistor kan flyga med vinden och antända nytt bränsle, utan också om att värmeutvecklingen blir mycket kraftigare.

Värme

En låga kräver att bränslet är i gasform.

Om bränslet är t.ex. acetylen, så är det i gasform redan från början. I en acetylensvets blandas gas från acetylentuben med syret från syrgastuben i svetsmunstycket. Bränslemolekylerna och syrgasmolekylerna måste komma i kontakt med varandra för att reagera. I gasblandningen är denna kontakt mycket effektiv. Därför kan acetylensvetsen brinna med mycket hög temperatur.

Om bränslet är t.ex. ved, så måste veden förångas till gaser innan den kan börja brinna. Man kunde tänka sig att ett vedträ skulle kunna brinna på ytan där träet har kontakt med luften, men det blir för lite fart på reaktionen för att den ska kunna hålla igång.

Kraftig hetta får veden att sönderdelas och brytas ned till brännbara gaser. Denna process kallas för pyrolys. Om man lyckats få igång en brasa, så utvecklas tillräckligt med värme vid förbränningen för att ytterligare ved ska pyrolyseras och avge brännbara gaser. På så sätt kan elden fortsätta brinna.

Kedjereaktion

Om det finns mycket bränsle, god syretillförsel och bränslet är både torrt och finfördelat, så som det kan vara efter torka i en skog med mycket kvistar och barr, så kan brandutvecklingen bli nästan explosionsartad. Värmeutvecklingen blir så hög att inte bara bränslet närmast veden antänds, utan även brännbart material på avstånd tar eld.

I en lägenhet kan också hettan blir så stor att lägenheten plötsligt övertänds och branden blir explosionsartad. Det har att göra med den starka värmeutvecklingen som ökar på bildningen av brännbara gaser, som i sin tur ökar på värmeutvecklingen i en kedjereaktion. Det var erfarenheter av sådana bränder som gjorde att man beskrev elden som "en sträng herre".

Elektrokemisk cell

Oxidation och reduktion sker samtidigt så att lika många elektroner avges och tas upp. Elektroner kan nämligen inge anhopas någonstans.

Elektrokemisk cell
Laddningstransporten i en elektrokemisk cell
Bild: © Svante Åberg

I elektrokemiska celler sker oxidationen och reduktionen i varsin halvcell. En halvcell består av en elektrod av ett fast material som är i kontakt med en lösning, oftast vattenlösning. Elektronöverföringen sker mellan elektroden och lösningen. Tillsammans bildar de två halvcellerna den elektrokemiska cellen där reduktionen sker vid katoden i den ena halvcellen och oxidationen vid anoden i den andra halvcellen.

Dessutom behövs en elektrisk ledare för transport av elektroner mellan elektroderna och en saltbrygga för jonledning mellan lösningarna. Det ger en sluten strömkrets.

För att det hela ska fungera måste elektroner som tas upp i anoden transporteras till katoden där elektroner avges. Elektroner kan nämligen inte anhopas på ett ställe. De kan inte skvalpa omkring fritt i metallen, utan binder alltid till varsin atom. Det är alltså ett fixt antal platser där elektroner kan hålla till.

Elektrontransporten måste å andra sidan kompenseras av att joner transporteras på ett sådant sätt att laddningarna utjämnas. Negativa joner vandrar mot anoden och kallas därför anjoner. Positiva joner vandrar mot katoden och kallas katjoner. Saltbryggan mellan halvcellerna möjliggör denna jonvandring.

mer om elektrokemiska celler på avancerad nivå kommer

Elektrolysceller

Energin bakom reaktionerna i en elektrolyscell hämtas från en yttre strömkälla som kopplas till elektroderna. Den positiva polen blir anod där oxidationen sker. Den negativa polen blir katod där reduktionen sker. En hjälp för minnet är PANK (Positiv Anod, Negativ Katod), men observera att minnesregeln bara gäller för elektrolys, inte för andra elektrokemiska celler.

Elektrolyscell
En elektrolyscell drivs av en yttre strömkälla som kopplas till elektroderna.
Bild: © Svante Åberg

I elektrolysen sker elektrokemiska reaktioner, dvs. reaktioner där elektroner avges (oxidation) och tas upp (reduktion). Det som kan reagera är själva elektrodmaterialet och/eller ämnen som finns i elektrolyten.

Alternativa reaktioner vid elektrolys

Om anoden är en metallelektrod finns möjligheten att den oxideras och metallen bildar joner som går i lösning. Om elektrodmaterialet är grafit, en form av kol, så brukar den vara inert och varken oxideras eller reduceras under normala förhållanden.

Elektrolyten är den vattenlösning som innehåller diverse lösta ämnen. I elektrolyten kan vatten reagera både genom att oxideras och reduceras. Vätejoner kan reduceras och hydroxidjoner kan oxideras. Löst syrgas kan reduceras. Metalljoner i lösningen kan reduceras.

När det finns flera alternativa reaktioner är det den reaktion som har lättast att ske som faktiskt sker.

Vid anoden är det ämnet som har lättast att avge elektroner som reagerar. Om till exempel elektrodmaterialet är en oädel metall såsom zink, så är chansen stor att Zn övergår till Zn2+ samtidigt som 2 elektroner avges. Om elektrodmaterialet är grafit så är det troligare att t.ex. kloridjoner i lösningen övergår till klorgas eller att vatten oxideras till vätejoner.

Vid katoden är det ingen risk att elektroden reagerar om den är gjord av metall eftersom metall redan är i reducerad form. Men det kan finnas metalljoner i lösningen som reduceras till metall som grundämne. Det förutsätter att det handlar om en ganska ädel metall. Till exempel reduceras Cu2+ lätt till Cu(s) som faller ut på katoden. Men om det handlar om natriumjoner, så bildas inte natriummetall eftersom natrium är så oädel.

Vätejoner i lösningen reduceras lätt till vätgas. Redoxjämvikten mellan vätejoner och vätgas används som nollpunkt på den elektrokemiska potentialskalan. Redoxpotentialen anger jämviktsläget för jämvikten mellan metall och motsvarande metalljon. Metaller med redoxpotential över noll anses vara ädla och metalljonen reduceras lättare till metall än vätejonen till vätgas. Om redoxpotentialen ligger på negativa sidan är det vätejonerna som lättare reduceras till vätgas än metalljonen till metall.

En alternativ elektrolyt som inte är en vattenlösning är en saltsmälta. Eftersom salter har mycket hög smältpunkt så är sådana elektrolyser ovanliga. Men aluminiumframställning är exempel på elektrolys i en saltsmälta.

Man kan också tänka sig andra lösningsmedel än vatten för elektrolyten. Exempel på sådan lösningsmedel är metanol, dimetylformamid (DMF) och acetonitril (AN).

Exempel på ett galvaniskt element

Ett galvaniskt element med Zn/Zn2+ och Cu/Cu2+
Bild: © Svante Åberg

Hela uppställningen med anod, katod och elektrolyt kallas för ett galvaniskt element och är ett batteri där kemisk energi kan utvinnas som elektrisk energi. I ett galvaniskt element är den inneboende kemiska energin som kan utvinnas vid reaktionen som är drivkraften.

Galvaniska elementets utformning

Det finns ett flertal olika modeller för att bygga en galvanisk cell för labb och demo. Den galvaniska cellen i vidstående figur består av ett U-rör som är delat av en porös glasfilterskiva. Vänster skänkel innehåller en zinkstav nedsänkt i zinksulfatlösning. Den högra innehåller en kopparstav i kopparsulfatlösning. De båda metallstavarna är elektroder. Lösningarna hindras från att blandas med varandra genom den porösa skivan i cellen. Däremot kan jonvandring ske genom mellanväggen.

Reaktionerna

Om man kopplar in en amperemeter mellan elektroderna kommer man att kunna se att det flyter en ström i ytterledningen när kretsen sluts. Strömmen går från kopparstaven till zinkstaven, d.v.s. elektroner rör sig i den motsatta riktningen, från zinkstaven mot kopparstaven. Zinkstaven bör alltså vara negativ i förhållande till kopparstaven. Elektroner frigörs således när zinkatomer i elektroden oxideras till zinkjoner, vilka går ut i lösningen. Vid kopparelektroden tar kopparjoner upp elektroner och reduceras till kopparatomer sam faller ut på kopparelektroden.

Reaktion vid zinkelektroden: Zn(s) → Zn2+ + 2e-

Reaktion vid kopparelektroden: Cu2+ + 2e- → Cu(s)

Den totala reaktionen i cellen blir då följande: Zn(s) + Cu2+ → Zn2+ + Cu(s)

Reaktionen blir egentligen exakt densamma som om man skulle hälla zinkpulver i en kopparsulfatlösning, men här får man istället ut elektrisk energi.

Jonvandring i elektrolyten

När zink/koppar-cellen ger ström och urladdas ökar hela tiden koncentrationen av zinkjoner i U-rörets vänstra skänkel. Samtidigt minskar koncentrationen av kopparjoner i den högra skänkeln. Denna laddningsdifferens kompenseras av att negativt laddade joner vandrar mot minuspolen och positivt laddade joner mot pluspolen. Resultatet är alltså en mer koncentrerad zinksulfatlösning till vänster och en mer utspädd kopparsulfatlösning till höger.

Galvaniskt element

Ett galvaniskt element är en elektrokemisk cell där den inre kemiska energin utgör drivkraften för den reaktion som ger upphov till en elektrisk ström. Polspänningen bestäms av vilka material elektroderna består av. Även koncentrationen hos de lösta ämnena som deltar i reaktionerna inverkar på spänningen. Med två halvceller i respektive halvcell

Galvaniskt element
Ett galvaniskt element fungerar som ett batteri.
Energin kommer från de kemiska ämnen som elementet innehåller.
Bild: © Svante Åberg

För att det ska flyta en ström måste en elektrisk ledare kopplas mellan polerna. Tillsammans med saltbryggan blir det då en sluten strömkrets.

Galvaniska element fungerar som batterier

När strömmen flyter utvecklas energi i form av värme i ledningen. Man kan dra nytta av energin genom att t.ex. koppla in en lampa. Den effekt som utvecklas är produkten av ström gånger spänning.

För att få hög effekt bör man välja elektrodmaterial som ger hög polspänning. Dessutom bör elektroderna ha stor area så att strömstyrkan kan bli hög.

Normalpotential och koncentrationens inverkan

Spänningsserien ger ungefärliga värden

Spänningen i ett galvaniskt element kan beräknas med hjälp av en tabell över normalpotentialerna i spänningsserien. Normalpotentialen anger halvcellens spänning i förhållande till en normalvätgaselektrod som utgör nollpunkten i spänningsserien. Till exempel har en halvcell bestående av kopparelektrod Cu(s) och kopparjonlösning Cu2+(aq) spänningen 0.337 V i förhållande till vätgaselektroden.

På motsvarande sätt har en halvcell bestående av zinkelektrod och Zn(s)zinkjonlösning Zn2+(aq) spänningen -0,763 V i förhållande till vätgaselektroden. Det innebär att ett galvaniskt element där dessa två halvceller är sammankopplade med en saltbrygga får en spänning som är skillnaden E0Zn2+/Zn - E0Cu2+/Cu = -0,763 V - 0,337 V = -1.401 V. Minustecknet anger att zinkelektroden är negativ i förhållande till kopparelektroden.

Beräkningen gäller för standardceller där koncentrationen är 1 mol/dm3 för metalljonerna.

Men i verkliga galvaniska element är oftast koncentrationen av metalljonen inte 1 mol/dm3, utan något annat. Detta påverkar den potential som kan uppmätas. Högre koncentration av Mez+ tenderar att förskjuta potentialen i positiv riktning. På motsvarande sätt ger lägre koncentration av Mez+ en lägre potential.

I praktiken brukar det stämma ganska bra om man bara räknar på normalpotentialerna. Det är bara i galvaniska element där koncentrationen av metalljoner blir nästan noll som spänningen brukar dra iväg och avvika mycket.

Bestämning av normalpotentialen

Vi antar att vi har en halvcell bestående av metallen Me i jämvikt med metalljonen Mez+ (1 mol/dm3) med, dvs. cellschemat
Me(s) | Mez+ (1 mol/dm3)

Det vertikala strecket symboliserar fasgränsen mellan den fasta elektroden och den vätskeformiga lösningen.

Dessutom har vi en normalvätgaselektrod. En sådan består av ett platinableck neddoppat i en 1 mol/dm3 lösning med vätejoner genom vilken man bubblar vätgas med trycket 1 atmosfär. Cellschemat för den är
Pt(s) | H+(aq) (1 mol/dm3) | H2(g) (1 atm)

Här finns två fasgränser, dels kontaktytan mellan platinablecket och lösningen med vätejoner, dels kontaktytan mellan lösningen av vätejoner och vätgasbubblorna.

Den aktuella halvcellen kopplas sedan samman med normalvätgaselektroden med hjälp en saltbrygga. Att två lösningar skiljs åt så att de inte blandas symboliseras med två vertikala streck. Det galvaniska elementet som bildas av de två halvcellerna får då cellschemat
Pt(s) | H+(aq) (1 mol/dm3) | H2(g) (1 atm) || Mez+ (1 mol/dm3) | Me(s)

Nu kan man mäta upp en spänning mellan metallelektroden Me(s) och vätgaselektrodens platinableck Pt(s). Eftersom alla koncentrationer av joner är 1 mol/dm3 och vätgasens tryck är 1 atmosfär, så är spänningen man mäter upp den så kallade normalpotentialen (standardpotentialen) för jämvikten Me ⇄ Mez+ + z e-.

Koncentrationsberoendet

Hur koncentrationen inverkar på potentialen beskrivs av Nernst ekvation som lyder
E = E0 + (0.05916 V/z)·log10(aox/ared)

E0 anger normalpotentialen.

Bokstaven a står för det kemiska begreppet "aktivitet". För utspädda lösningar är aktiviteten lika med koncentrationen. För koncentrerade lösningen finns små avvikelser. För fasta ämnen definieras aktiviteten identiskt lika med 1.

Bokstaven z anger antalet laddningar i metalljonen.

Exempel 1

Halvcellen Cu(s) | Cu2+ (0,0010 mol/dm3) kopplas upp mot normalvätgaselektroden.

E0 hämtas från tabellen över normalpotentialer som anger:
E0 = 0,337 V för jämvikten Cu2+(aq) + 2 e- ⇄ Cu(s)

Laddningen z = 2 i redoxjämvikten

Nernst ekvation ger
ECu-halvcell = E0Cu2+/Cu + (0,05916 V/z)·log10(aCu2+/aCu(s)) = 0,337 V + (0,05916 V/2)·log10(0,0010/1) = 0,337 V - 0,08874 V ≈ 0,248 V

Detta är alltså halvcellens potential. Spänningen i det galvaniska elementet är skillnaden mellan halvcellens potential och normalvätgaselektrodens potential. Men eftersom normalvätgaselektroden enligt definition har potentialen exakt 0 V, så är också cellspänningen 0,28 V. Koppar-elektroden är positiv i förhållande till normalvätgaselektroden.

Exempel 2

Halvcellen Zn(s) | Zn2+ (0,10 mol/dm3) kopplas upp mot normalvätgaselektroden.

E0 = -0,763 V för jämvikten Zn2+(aq) + 2 e- ⇄ Zn(s)

EZn-halvcell = E0Zn2+/Zn + (0,05916 V/z)·log10(aZn2+/aZn(s)) = -0,763 V + (0,05916 V/2)·log10(0,10/1) = 0,763 V - 0,02958 V ≈ -0,793 V

Detta är halvcellens potential. Men eftersom den är uppkopplad mot normalvätgaselektroden som har potentialen 0 V så blir även det galvaniska elementets spänning -0,793 V. Zink-elektroden är negativ i förhållande till normalvätgaselektroden.

Exempel 3

Vi har det galvaniska elementet
Cu(s) | Cu2+ (0,0010 mol/dm3) || Zn2+ (0,10 mol/dm3) | Zn(s)

Man kan använda beräkningarna ovan för respektive halvcell för att beräkna det galvaniska elementets spänning. Det blir
E = EZn-halvcell - ECu-halvcell = [E0Zn2+/Zn + (0,05916 V/z)·log10(aZn2+/aZn(s))] - [E0Cu2+/Cu + (0,05916 V/z)·log10(aCu2+/aCu(s))] = … = -0,793 V - 0,248 V = -1,041 V

Exempel 4

Vi har det galvaniska elementet
Cu(s) | Cu2+ (0,0010 mol/dm3) || Cu2+ (0,10 mol/dm3) | Cu(s)

Båda halvcellerna är likadana. Det enda som skiljer är koncentrationen av kopparjonlösningen i respektive halvcell. Ett galvaniskt element som detta kallas för koncentrationselement.

Beräkningen sker på samma sätt som tidigare för respektive halvcell.

Evänster halvcell = E0Cu2+/Cu + (0,05916 V/z)·log10(aCu2+(0,0010 mol/dm3)/aCu(s)) = 0,337 V + (0,05916 V/2)·log10(0,0010/1) = 0,337 V - 0,08874 V ≈ 0,248 V

Ehöger halvcell = E0Cu2+/Cu + (0,05916 V/z)·log10(aCu2+(0,10 mol/dm3)/aCu(s)) = 0,337 V + (0,05916 V/2)·log10(0,0010/1) = 0,337 V - 0,02958 V ≈ 0,307 V

E = Ehöger halvcell - Evänster halvcell = 0,307 V - 0,248 V = 0,059 V

Höger elektrod, som omges av högre koncentration av kopparjoner, är positiv i förhållande till vänster elektrod.

Det går att förenkla formlerna ovan eftersom cellerna är lika förutom koncentrationen. Spänningen för ett koncentrationselement fås därför med formeln
E = (0,05916 V/z)·log10(aCu2+, höger/aCu2+, vänster) = (0,05916 V/2)·log10(0,10/0,0010) = 0,2958 V·2 ≈ 0,059 V

Varning för PANK - gäller ej galvaniska celler

I skolan får man ibland lära sig ordet "PANK", vilket står för Positiv = Anod, Negativ = Katod. PANK är en regel som endast gäller elektrolysceller, dvs när en yttre spänningskälla driver den kemiska reaktionen. I Galvaniska element är förhållande det motsatta.

En regel som dock alltid gäller är följande: Oxidationen sker vid anoden, reduktionen sker vid katoden.

Uppladdningsbart batteri som exempel

Att elektrolysceller och galvaniska celler har motsatta processer kan man förstå om man tänker på ett uppladdningsbart batteri. Vid laddning trycker man på ström från en yttre spänningskälla. Man laddar upp batteriet när den yttre spänningskällan är mer positiv vid batteriets pluspol och mer negativ vid batteriet minuspol än batteriet självt. Strömriktningen är sådan att oxidation (anod) sker vid batteriets pluspol och reduktion (katod) vid dess minuspol.

När man kopplar bort laddaren behåller batteriet sin spänning mellan polerna. Då går ingen ström och det går inte att avgöra vad som är anod eller katod eftersom varken oxidation eller reduktion sker.

Om man sedan använder batteriet för att t.ex. driva en lampa så tar man ut ström. Strömriktningen är omvänd, vilket betyder att oxidation och reduktion har bytt plats i batteriet. Nu sker reduktion (katod) vid pluspolen och oxidation (anod) vid minuspolen. Anod och katod har alltså bytt plats och PANK-regeln stämmer inte.

Potentialer i galvaniskt element

Potentialnivåer i det galvaniska elementets olika delar

Vi ska ta ett exempel på galvaniskt element med kopparelektrod i kopparsulfatlösning och zinkelektrod i zinksulfatlösning. Elementet innehåller två halvceller som är förenade med en saltbrygga. Den ena halvcellen utgörs av jämvikten
Cu2+ + 2 e- ⇌ Cu(s), den andra av
Zn2+ + 2 e- ⇌ Zn(s)

Ett galvaniskt element innehållande två halvceller förenade med en saltbrygga.
Bild: © Svante Åberg

Den elektriska potentialen är konstant inom en fas om potentialskillnader kan utjämnas genom att laddningar förflyttar sig. I en metall är det elektroner som vandrar, i en vattenlösning vandrar joner så att potentialskillnader utjämnas.

Men i fasgränsen mellan två faser sker ett potentialsprång. Storleken och tecknet (+ eller -) beror på energin som avges eller tas upp när en laddning hoppar över från ena fasen till den andra. I det galvaniska elementet uppstår ett potentialsprång mellan den fasta elektroden och elektrolyten (lösningen som innehåller joner). Potentialnivåerna visas i bilden med en svart linje där höjden symboliserar potentialen.

Man kan tänka sig att det skulle gå att mäta potentialskillnaden mellan elektroden som lösningen som den är nedsänkt i genom att använda en voltmeter. Det går tyvärr inte. Problemet är att så snart man stoppar ned voltmeterns elektrod i lösningen så uppstår en ny fasgräns mellan elektrolyten och mätpinnen som är kopplad till voltmetern. Potentialsprånget i denna nya fasgräns är okänd, så man vet inte hur många volt man ska kompensera för när man vill beräkna det potentialsprång man vill undersöka. Nivån på den svarta linjen i elektrolyten är därför symbolisk och ligger sannolikt på en annan nivå.

Trots att potentialen hos själva elektrolyten inte kan mätas så kan man mäta potentialskillnaden mellan de två polerna i det galvaniska elementet. Denna potentialskillnad kallas för cellspänning eller polspänning.

Elektrodpotentialer och cellspänning

För att kunna upprätta en tabell över halvcellernas potentialer har man valt att låta en bestämd typ av halvcell vara nollpunkt, nämligen den normala vätgaselektroden. Den bygger på jämvikten mellan vätejoner och vätgas. Eftersom väte är en gas, så måste man ordna en fast elektrod på annat sätt. Man använder ett platinableck som vätgasen vid 1 atmosfärs tryck får bubbla kring och alltsammans sker i en elektrolyt med 1 mol/dm3 H+. Jämvikten för normalvätgaselektroden blir
2 H+ + 2 e- ⇄ H2(g, 1 atm)

Tabellen anger normalpotentialer, dvs. vilken polspänning halvcellen har i förhållande till en normalvätgaselektrod. I tabellen skrivs alla reaktioner som reduktioner, även om reaktionerna kan gå åt motsatt håll. De angivna potentialerna gäller för 1-molariga lösningar av det ämnet som reduceras.

Normalpotentialer (Spänningsserien)
halvcellens reaktion normalpotential
Au+(aq) + e- ⇄ Au(s) +1,69 V
Ag+(aq) + e- ⇄ Ag(s) +0,80 V
Cu2+(aq) + 2 e- ⇄ Cu(s) +0,34 V
Fe2+(aq)+ 2 e- ⇄ Fe(s) -0,44 V
Al3+(aq) + 3 e- ⇄ Al(s) -1,68 V
O2(g) + 4 H+(aq) + 4 e- ⇄ 2H2O(l) +1,23 V
Fe3+(aq) + e- ⇄ Fe2+(aq) +0,77 V
2 H+(aq) + 2 e- ⇄ H2(g) 0 V
Zn2+(aq) + 2 e- D Zn(s) -0,76 V
Al3+(aq) + 3 e- ⇄ Al(s) -1,66 V
Mg2+(aq) + 2 e- ⇄ Al(s) -2,36 V
Na+(aq) + e- ⇄ Na(s) -2,71 V

Användning av normalpotentialtabellen

Då man vill beräkna vilken spänning en galvanisk cell förväntas ge så använder man sig av en normalpotentialtabell. I tabellen kan man läsa av vad olika materialval hos elektroderna förväntas ge för spänning. Man kan även se vilken av elektroderna som blir plus respektive minuspol i den aktuella kombinationen. Potentialen sträcker sig från negativa värden till positiva.

Exempelvis jämvikten kopparjoner/koppar har normalpotentialen 0,34 V och jämvikten zinkjoner/zink har normalpotentialen -1,76 V. Koppar är alltså den mer positiva av de två och skillnaden (0,34 V) - (-0,76 V) = 1,10 V blir den spänning som det galvaniska elementet har mellan polerna.

Reaktionsriktningen

Låg redoxpotential för jämvikten i halvcellen innebär att halvcellen tenderar att bli minuspol i ett galvaniskt element. Minuspolen är den elektrod som levererar elektroner till yttre strömkretsen. Elektronerna kommer från oxidationen som sker på elektrodytan i kontakten med elektrolyten. I exemplet som nämns ovan är det zinken i zinkelektroden som oxideras och avger elektroner.

Hög redoxpotential för jämvikten i halvcellen innebär att halvcellen tenderar att bli pluspol i ett galvaniskt element. Pluspolen är den elektrod som tar emot elektroner från den yttre strömkretsen och leder dessa vidare till den reduktion som sker på elektrodytan i elektrolyten. I exemplet ovan är det kopparjoner i elektrolyten som tar emot elektroner och reduceras till kopparmetall.

Sammanfattningsvis gäller att i halvcellen med den högre normalpotentialen sker en reduktion (katod) och i halvcellen med den lägre normalpotentialen sker en oxidation (anod).

Ett vardagsexempel

Allmänt gäller för metallerna i serien att ju högre normalpotential jämvikten har, desto ädlare är metallen. I vardagen så utnyttjas detta bland annat på utombordsmotorer. På motorn på den del som ligger under vattnet så sitter det så kallade ”offeranoder”. Dessa består då av en metall som är mindre ädel än den som själva motorn är tillverkad av. Dessa kommer då att förbrukas på grund av galvaniska strömmar och därför måste dessa bytas med jämna mellanrum. Offeranoden korroderar först, eftersom den är oädel. Så länge som det finns kvar offeranodmaterial kommer motorn att vara skyddad från korrosion.

Cellschema

För att slippa avbilda de praktiska arrangemangen när man beskriver en cell tecknar man den ofta i form av ett cellschema i stället:

- Zn(s) | Zn2+(1,0 ml/dm3) || Cu2+(1,0 ml/dm3) | Cu(s) +

Ett enkelt streck betyder gränsen mellan två faser, i detta fall mellan fast ämne och lösning. Två streck betyder i detta fall, den porösa skivan mellan de båda olika lösningarna. Inom parentes anges jonkoncentrationen. Normalt tecknas cellschemat med pluspolen till höger.

Elektromagnetisk strålning

Elektromagnetisk strålning består av fotoner, energipaket utan massa som rör sig med ljusets hastighet. Fotonens energi är oförändrad så länge som den inte kan utbyta energi med någon partikel eller annan foton som den kolliderar med.

Fotonen har både partikelegenskaper och vågrörelseegenskaper.

Fotonens energi

Fotonens energi har ett direkt samband med ljusets våglängd:

E = hc/l, där

E = energi
h = Plancks konstant = 6.626070040×10−34 J·s = 4.135667662×10−15 eV·s
c = ljusets hastighet i vacuum = 299792458 m/s
l = ljusvåglängden

Om man sätter in värdet på Plancks konstant och ljushastigheten blir uttrycket

E(eV) = 1,2398/l(mm)

mer material på grundnivå kommer

material på avancerad nivå kommer

Ljusabsorption och emission

Energiutbyte genom ljusabsorption

När en foton kolliderar med en atom (eller molekyl) kan den avge sin energi till atomen (molekylen). Atomen (molekylen) exciteras till ett högre energitillstånd samtidigt som fotonen antingen släcks ut helt, ifall den tappar all sin energi, eller omvandlas till ljus med större våglängd och därmed lägre energiinnehåll.

Energiutbyte genom ljusemission

Exciterad materia kan också göra sig av med extra energi i form av fotoner. Ett exempel på detta är när materia upphettas till den blir glödande, så kallad svartkroppsstrålning. Ett annat exempel är när en kemisk reaktion utvecklar energi som avges i form av ljus, så kallad kemiluminiscens.

mer material på grundnivå kommer

material på avancerad nivå kommer

Lågfärg hos kemiskt ämne

En kemilärare demonstrerar lågfärgen hos koppar. Photo credit: Connor Lee on Wikimedia Commons

En metod att undersöka vilka metalljoner som finns i ett salt är att titta på lågfärgen. Man löser lite av saltet i bränslet, som t.ex. kan vara metanol. Antänd bränslet och låt det brinna med god syretillförsel. Färgen på lågan avslöjar vilken metalljon som finns i saltet.

Några metallers lågfärger är

Litium: röd-rosa
Natrium: gul
Kalium: lila
Barium: blekt grön
Kalcium: orange
Koppar: blågrön


Värmestrålning eller ljusemission från kemiska reaktioner – två sätt att skapa ljus

En låga som brinner utsänder ljus. Om det är en låga från t.ex. ett stearinljus brukar lågan vara gulaktig på grund av att heta sotpartiklar är så varma att de glöder. Denna typ av strålning kallas svartkroppsstrålning och har att göra med temperaturen.

Andra lågor, där det inte finns sotpartiklar, utan bara gasmolekyler som förbränns, brinner ofta med nästan osynlig låga. Exempelvis får man en sådan låga när ren metanol eller gasol förbränns med god syretillförsel. Om det är ganska mörkt i rummet brukar man kunna se att lågan är blåaktig. Ljuset som sänds ut från en sådan låga har en färg som kommer från de kemiska reaktionerna i förbränningen. Färgen är ett resultat av energiövergången mellan olika elektronnivåer i molekylerna.

Så uppstår lågfärgen

Om man löser ett salt i bränslet, så kommer metalljonerna att upphettas i lågan. En elektron i metalljonen exciteras från grundnivån till ett högre energitillstånd. Elektronen lyfts alltså upp till ett högre energiskal av energi som kommer från kollisioner orsakade av den häftiga värmerörelsen.

Men elektronen faller mycket snabbt tillbaka till sitt grundtillstånd. Skillnaden i energi mellan elektrontillstånden avges i form av en foton. Fotonens våglängd är bestämd av dess energi. Våglängden motsvarar en viss färg i ljusspektrum.

Eftersom det finns flera alternativa elektronnivåer i jonen som elektronen kan hoppa mellan, så finns det också flera alternativa våglängder hos ljuset som kan sändas ut. Men uppsättningen av möjliga energinivåer är unik för den typ av jon som det handlar om. Exakt vilka ljusvåglängder som sänds ut är därför ett "fingeravtryck" på metalljonen. Alla dessa spektrallinjer blandas till den färgnyans som vi uppfattar.

Linjespektra för natrium (övre) och kalcium (nedre). Photo credit: NASA on Wikimedia Commons

Om man använder en spektrometer, så kan man dela upp ljuset i exakt de ljusvåglängder som sänds ut. Man ser då ett antal linjer i ljusspektrum där varje linje motsvarar en speciell elektronövergång i jonen. Linjespektrum ger en mycket säkrare och exaktare bestämning av vilken metalljon som finns i provet. Med linjespektrum är det också möjligt att identifiera flera olika atomslag som finns i samma prov.

mer material på avancerad nivå kommer

Svartkroppsstrålning

Svartkroppsstrålning är värmestrålning

Alla varma kroppar sänder ut värmestrålning. Det vi normalt sett uppfattar som värmestrålning ligger det infraröda våglängdsområdet med l = 700 nm – 1 mm (motsvarande 0,7 – 1000 mm). Strålningen ligger utanför det synliga ljusets våglängdsområde på den långvågiga sidan, dvs. bortanför det röda ljuset. Vi kan inte uppfatta den infraröda strålningen direkt med våra sinnen, men vi kan uppfatta strålningens effekter med känseln. Den infraröda strålningen värmer nämligen huden när den absorberas.

Svartkropsstrålningens spektrum

Svartkropsstrålning vid olika temperaturer. Photo credit: Darth Kule on Wikimedia Commons

Men värmestrålning kan förekomma i alla våglängdsområden. Det beror på den varma kroppens temperatur vilka våglängder som sänds ut. Riktigt heta kroppar, såsom elden, glödlampan eller solen, skickar ut värmestrålning med så korta våglängder att det hamnar i det synliga våglängdsområdet. Därför kan vi se ljuset från elden, glödlampan och solen.

Diagrammet till höger visar intensiteten i värmestrålningen för olika våglängder för några svartkroppsstrålare med olika temperatur. Temperaturen är angiven i Kelvin (K), dvs. absolut temperatur.

Solstrålningens spektrum. Photo credit: Nick84 on Wikimedia Commons

Nästa diagram till höger visar solstrålningens spektrum. Solens temperatur på ytan är cirka 5800 K. En del av solljuset som faller in mot jordytan absorberas i atmosfären eller reflekteras tillbaka ut i världsrymden. Det röda visar vad som faktiskt når markytan.

Man kan se att det synliga våglängdsområdet sammanfaller med den intensivaste strålningen från solen. Det är nog så att evolutionen har utvecklat ögat att registrera just dessa våglängder eftersom vi då får maximal känslighet för solljuset.

Svartkropsstrålningens färg

550 C
630 C
680 C
740 C
770 C
800 C
850 C
900 C
950 C
1000 C
1100 C
1200 C
1300 C

Man kan se på färgen hos en glödande het kropp ungefär vilken temperatur den har. En varm kropp börjar glöda med ett svagt rött sken när temperaturen når över 500 C (motsvarande cirka 800 K). Det känner smederna väl till. Ju varmare järnet är, desto ljusare lyser det och färgen blir allt gulare för att till slut dra mot vitt. Om du ser att glöden i en brasa är ljust röd, så vet du att den är cirka 800 – 900 C. Lågan i ett stearinljus, som är ljust gul, nästan vit, är cirka 1200 C.

Solen, som är cirka 5800 K på ytan, har vit färg. Ju hetare kroppen är, desto blåvitare blir ljuset. Riktigt heta stjärnor har en blåvit färg.


En perfekt svart kropp

En perfekt svart kropp reflekterar inte någon strålning som faller in mot kroppen. Man kan komma väldigt nära egenskaperna hos en perfekt svart yta om man tillverkar en låda som är svart inuti och dessutom bara har en mycket liten öppning. Själva öppningen är då i det närmaste perfekt svart.

Ljusstrålar som faller in genom öppningen absorberas i väggarna inuti kroppen. Om absorptionen inte är perfekt så reflekteras en liten del av ljuset. Men det reflekterade ljuset kanske hinner absorberas och reflekteras 1000 gånger innan det av en slump slipper ut genom det lilla öppna hålet. Även om om bara 50 % skulle absorberas varje gång, så skulle det återstå så lite som 1 del på 10300 av strålningen den 1000:e gången, dvs. i praktiken ingenting alls. Därför blir hålet helt mörkt, så svart som det bara är möjligt.

Därför kallas det svartkropsstrålning

Svartkropsstrålande varm kropp

Men det perfekt svarta hålet kan sända ut strålning som skapas inuti lådan. Om lådan är varm, så utsänder den värmestrålning precis som andra kroppar.

Det fina med konstruktionen är att med alla absorptioner och reflektioner av ljuset inuti lådan, så får man en perfekt energifördelning. Vanligast är fotoner med en energi som motsvarar temperaturen inuti lådan. Fotoner med mycket låg, respektive mycket hög energi är ovanliga. Detta är den svartkroppsstrålning som lådan sänder ut genom den lilla öppningen.

Det finns en analogi mellan fördelningen av fotoner med olika energier och fördelningen av rörelseenergierna hos atomernas värmerörelser i den varma kroppen. Vanligast är energier i närheten av medelenergin som svarar mot den aktuella temperaturen.

mer material på avancerad nivå kommer

Water vapor in equilibrium with aqueaous solution

Evaporation and condensation occurs simultaneously

Molecules evaporate from a water surface and add moisture into the air. At the same time, water vapor in the air condenses and forms water. Both processes occur contiuously, but we can not observe it immediately. But wait from one day to another, one can see that a saucer with water dries up, indicating that evaporation has occurred. One can also see the formation of dew on the ground when the air is moist and cool, which is an example of condensation.

Opposing processes leading to equilibrium

The processes are going on all the time, but are approaching a state of equilibrium. If the temperature is high, water vapor content in the air is higher at equilibrium. That is the reason behind the warming sun drying up the soil and the formation of clouds in the sky towards the afternoon. The clouds form from water that has evaporated.

When it's cold the air only contains little water vapor at equilibrium. Dew is formed during the night because that's when it gets chilly. It is also why the air is drier in the winter indoors. Indoor air comes from the outside through the ventilation.

Evaporation

Water molecules evaporate from the surface of aqueaous solution. Evaporatiing water molecules manage to break free from their neighbors and fly away into the gas phase above the liquid. It takes energy to break free. The energy comes from the molecules' temperature movements. Only the fastest molecules move quickly enough to evaporate.

The speed och evaporation is due to two things. It involves the concentration of water molecules at the surface, and how fast the molecules move.

Pure water has maximum concentration. There are many water molecules per unit area, i.e. many water molecules have a chance to leave the liquid and the evaporation is therefore relatively fast. If one has a water solution, e.g. of a salt, part of the space is occupied by the salt ions that also bind to themselves a shell of water molecules that are not free to move. This means that the concentration of free water molecules in the solution is lower than in pure water. Fewer molecules have the chance to evaporate, causing the evaporation will be slower. Generally speaking, the evaporation is rate proportional to the share of free water molecules in the solution. For example, if a solution contains only 60% as many free water molecules per unit area as clean water, then the rate of evaporation is about 60% compared to evaporation from pure water.

The other thing that affects the rate of evaporation is the temperature. In order to evaporate a water molecule must move quickly enough. The temperature is a measure of how quickly molecules move on average. Temperature motion is chaotic, with clashes between the molecules which sometimes gets a boost as they move faster, sometimes slowed down. It's only a small percentage of the molecules moving so fast that they can break free from their neighbors in the liquid and evaporate into the gas phase. But the higher the temperature, the greater the proportion that is actually fast enough and have the chance to leave the liquid surface. Therefore, the evaporation is faster at higher temperature.

Condensation

Condensation is the opposite reaction to evaporation. When water molecules in the air hit the liquid surface they are likely to be caught up. The captured molecules change from gas to liquid form.

The speed of water condesation depends on the number of water molecules that are in the gas phase. If the air is dry, ie with 0% relative humidity, there is no water vapor which can condense. At 100% relative humidity the condensation rate is at its maximum.

Equilibrium

Since the evaporation and condensation processes are opposite, it depends on which one is faster if there is a net evaporation or condensation. With a net evaporation the gas gains more water vapor than it loses. As a consequence the concentration of water vapor increases. But when the water vapor content increases so does the rate of condensation. As a result that the speed difference between evaporation and condensation is reduced. In the end, condensation and evaporation are equally fast. Then the net change zero, "nothing happens".

Bild: © Svante Åberg
Evaporation poceeds at a constant rate since the concentration of water in the solution is constant. In the beginning when the air is dry, no condensation. With time the water vapor in the air increases and therefore also the condensation. Finally water vapor condenses as fast as the water evaporates. Then the net evaporation is reduced to zero.

Bild: © Svante Åberg
When as many water molecules leave the surface of the water by evaporation as those caught up in the water by condensation, so the net result is no change, ie, have equilibrium.

Well, actually evaporation and condensation are still going on at full speed, but we see shows no change. Such a state is called dynamic equilibrium. "Dynamic" refers to the ongoing reactions, "equilibrium" refers to a state where there is no net change. In this example, the equilibrium is reached between the processes:

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

The equilibrium is often denoted by double arrows, thus H2O(l) ⇌ H2O(g).

Vapor pressure of solutions

The pressure comes from the gas molecules' collisions

Gas molecules move fast and are constantly colliding with solid surfaces. All the small collisions provide a pressure on the surface. That pressure is what we call the gas pressure, or vapor pressure.

If there are different kinds of gas molecules, some lighter and some heavier, the pressure does not depend on how the heavy molecules are. The reason is tha temperature evens out for all sorts of molecules so that they have the same kinetic energy. The heavier molecules move more slowly than the lighter ones. The result is that certain a number of molecules of one kind give the same pressure as an equal number of molecules of another type.

Evaporating water causes vapor pressure

In normal air, the content is about 20% oxygen and 80% nitrogen. Furthermore, there are small amounts of water vapor. If a lot of water evaporates so that the air becomes humid, the proportion of water vapor increases. Water vapor is also a gas, but molecules are water. Water vapor causes gas pressure in the same way that oxygen and nitrogen do.

If the liquid water is not clean water, but contains dissolved substances, the water evaporates less easily. This causes the vapor pressure of the water to be lower than an above an aqueous solution containing e.g. salt. The more solute in the water, the lower water vapor pressure.

The influence of the solute in the water

We will try to find out how a solute with a high boiling point (non-volatile) affects a solvent: When we solve a substance with a high boiling point in a solvent, the solute will reduce the number of solvent molecules per volume, i.e. the concentration of solvent is reduced by dilution with solute. The number of solvent molecules on the surface decreases accordingly. Fewer molecules therefore have the opportunity to evaporate from the surface of the liquid, and evaporation will be slower. For example, a solution with 50% of a non-volatile solute and 50% of molecules of the solvent, then the solvent evaporation is half as fast (roughly speaking). If the solution is in a closed vessel, then the air above it eventually becomes saturated with water vapor so that equilibrium is reached. The vapor pressure at equilibrium over the 50% solution will then be half as large as the vapor pressure of pure solvent.

Illustration: © Svante Åberg
At equilibrium vapor pressure is approximately proportional to the concentration of solvent in the solution.

Raoult's law

Detailed studies on the gas pressure of the solutions in which there is a solute of high boiling point, was done by Francois M. Raoult (1830- 1901). His results are summarized as Raoult's Law.

Plösning = Xlösningsmedel·Prent lösningsmedel

där
Psolution = vapor pressure at equilibrium of the current solution
Xsolvent = the proportion of solvent in the solution
Psolvent = vapor pressure at equilibrium of the pure solvent

In a solution where half the molecules of the solute molecules and the other half of the solvent, Xsolvent = 0,5 and one gets Psolution = 0,5·Ppure solvent.

Raoult's law assumes ideal solutions where bonding forces as strong irrespective of whether it is between the solvent molecules of dissolved molecules of the solute or solute and solvent. This is not the case in real solutions, which is why the law applies only approximately.

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

Protolys av hydratiserade metalljoner

När salter löser sig i vatten bildas hydratiserade komplex med vatten. Det gäller både den positiva metalljonen och den negativa ickemetalljonen, men det är metalljonens komplex som reagerar som en syra. Den positiva laddningen hos metalljonen får vattenmolekylerna i hydratiseringsskalet att avge vätejoner. Det hydratiserade komplexet fungerar därför som en syra. Ju högre positiv laddning metalljonen har, desto starkare syra blir komplexet.

I hydratiseringsskalet kring en natriumjon vänder vattenmolekylerna det negativa syret mot den positiva jonen.
Bild: CC Taxman

Attraktion och repulsion i hydratiseringsskalet

Syret i vattenmolekylen är starkt elektronegativt. Syret får ett elektronöverskott av ett tätare elektronmoln och blir negativt laddat. Vätatomerna i vattenmolekylen får på motsvarande ett elektronunderskott och blir positivt laddade. Vattenmolekylen som helhet är neutral, men den är en stark dipol.

Metalljonens positiva laddning attraherar syret i vattenmolekylerna i lösningen. Det leder till att jonen binder upp ett skal av vattenmolekyler som vänder sitt syre mot jonen.

Samtidigt som jonen drar till sig vattnet, så finns en repulsion till de positiva väteatomerna i vattenmolekylen. Det ökar chansen att vattnet ska släppa ifrån sig en vätejon (proton) till den omgivande vattenlösningen. det hydratiserade metallkomplexet fungerar alltså som en syra.

Flervärda metalljoner attraherar vattenmolekylerna starkare än envärda joner. Exempelvis binder aluminiumjoner (Al3+), tvåvärda eller trevärda järnjoner (Fe2+, Fe3+) vattnet mycket hårdare till sig än natriumjonen Na+.

Protolysen

Protolysjämvikten med hydratiserade trevärda järnjoner ser ut så här:
protolyssteg 1: [Fe(H2O)6]3+ + H2O ⇄ [Fe(H2O)5(OH)]2+ + H3O+

Denna sura reaktion är faktiskt så stark att pH sjunker till cirka 1.5 i en vattenlösning av järn(III)joner, t.ex. om man löser saltet järn(III)klorid (FeCl3) i vatten. Protolysen kan fortsätta i ytterligare steg enligt reaktionerna
protolyssteg 2: [Fe(H2O)5(OH)]2+ + H3O+ ⇄ [Fe(H2O)4(OH)2]+ + H3O+
protolyssteg 3: [Fe(H2O)4(OH)2]+ + H3O+ ⇄ [Fe(H2O)3(OH)3] + H3O+

Komplex med nettoladdningen noll blir svårlösligt

I det tredje protolyssteget bildas ett oladdat komplex. Frånvaron av laddning gör att lösligheten i vatten blir mycket låg. Vatten är ju ett starkt polärt lösningsmedel som löser laddade eller polära ämnen bra, men inte oladdade partiklar.

Jämviktsläget kan påverkas av tillsats av andra sura eller basiska ämnen. Om man tillsätter ett basiskt ämne såsom natriumhydroxid (NaOH), så höjs pH. Det leder till att det hydratiserade metallkomplexet lättare avger vätejoner så att det oladdade komplexet i protolyssteg 3 bildas. Då ser man också att det blir fällning av det olösliga komplexet.

Relativ luftfuktighet

Den relativa luftfuktigheten styr avdunstning och kondensation

Avdunstning från en vattenyta sker så länge som den relativa luftfuktigheten är lägre än 100 %, vilket innebär att ångtrycket ovanför vätskan är tillräckligt lågt för att de snabba molekylerna ska kunna lämna vätskan. Hur mycket vatten luften kan innehålla beror på temperaturen, ju varmare luft desto mer vatten kan den innehålla. Vattenmolekylerna i varm luft har högre hastighet och kan då studsa ifrån varandra vid kollisionerna istället för att som i kallare luft fastna i varandra och bilda vattendroppar. Luftfuktigheten är alltså maximal (100 %) då maximal mängd vattenånga för den aktuella lufttemperaturen är uppnådd, dvs. luften är mättad.

Meteorologerna brukar tala om den relativa luftfuktigheten, de jämför då den mängd vattenånga som luften innehåller med den maximala mängden som luften vid den aktuella temperaturen kan innehålla. En temperatur av ca 20 °C med en relativ luftfuktighet på 50 - 60 % upplevs av de flesta människor som behagligt. Om den relativa luftfuktigheten är för hög sker kondensation, det vill säga en övergång från vattenånga till flytande vatten, i stället för avdunstning och vi upplever luften som klibbig.

Att mäta relativ luftfuktighet

För att mäta den relativa luftfuktigheten använder meteorologer en anordning av två termometrar, en så kallad psykrometer. Den ena termometern har en fuktad gasbinda fäst runt kulan medan den andra är som vanligt. Då vatten avdunstar från termometern med gasbinda kommer den att visa en lägre temperatur än den torra termometern. Ju större temperaturskillnad som uppmäts mellan de båda termometrarna desto torrare luft är det.

Tabell 1: Luftfuktighet i procent
Temp. torra
termometern
Temperaturskillnad mellan termometrarna
0 °C1 °C2 °C3 °C4 °C5 °C6 °C7 °C8 °C9 °C10 °C
30 °C9791847872666055494440
25 °C9790837669625650443933
20 °C9789817365585144383225
15 °C9788797061534437292215

(Diagram och tabell är hämtade från P-G Andbert och G Mattson, 1994)

Exempel på effekter av den relativa luftfuktigheten

I tabellen ovan kan man avläsa att det vid en temperatur av 20 °C och med en temperaturskillnad på 5 °C är en relativ fuktighet på ca 58 %. Detta innebär att luften kan ta emot nästan dubbelt så mycket vattenånga innan moln eller dimma bildas. Vattendropparna i moln och dimma är mycket små, 0,001 - 0,1 mm, dessa växer till sig då luften stiger. Detta sker eftersom luften kyls ner och vattendropparna kan slå sig samman till större underkylda vattendroppar och kristaller. När sedan dessa blivit tillräckligt stora, cirka 0,5 - 3 mm, kan de falla ur molnet som nederbörd. Om atmosfären är kall med minusgrader även längst ner kommer nederbörden i form av snö och om det är varmt i det lägsta skiktet smälter snöflingorna och vi får regn. Även kall luft med minusgrader innehåller vattenånga, om än i liten mängd. Detta märks av om man vintertid ventilerar hus och verkstäder genom att släppa ut den fuktiga inomhusluften och ersätta den med frisk luft utifrån. Luften upplevs då som mycket torr och obehaglig.

mer material på avancerad nivå kommer

Trijodidjämvikten

Jod är ett grundämne som bildar tvåatomiga molekyler, I2(s), även i gasform. I fast form är jod blåsvarta glänsande kristaller och som gas är den violett. Jod är en halogen i grupp 7 i periodiska systemet och bildar därför envärt negativa joner, jodid:

I2+ 2 e → 2 I

Trijodid, ett komplex av jod och jodid

Jod och jodid bildar lätt komplexet trijodid (se kaliumtrijodid, KI3).

I2 + I → I3

Trijodidjämvikten
 I2 +  I   I3 
jod   jodidjoner   trijodid

I själva verket är reaktionen en jämvikt med jämviktskonstanten

K = [I3-]/([I2][I-]) = 7,1·102 M-1

Jämviktsläget

Det stora värdet på jämviktskonstanten visar att jämvikten är starkt förskjuten åt höger. Men det krävs närvaro av både jod och jodid för att komplexet I3- ska bildas. Det förutsätter att den kemiska miljön varken är starkt reducerande eller starkt oxiderande.

Vi kan räkna på detta om vi stuvar om formeln för jämviktskonstanten.

[I3-] = [I2][I-]·K = [I2][I-]·102·7,1 M-1

I starkt reducerande miljö förbrukas all jod i reaktionen I2+ 2 e → 2 I och insättning av [I2] = 0 M i formeln ger värdet [I3-] = 0 M. Detta driver trijodidjämvikten helt åt vänster.

På motsvarande sätt förbrukas i starkt oxiderande miljö all jodid i reaktionen 2 I → I2+ 2 e och insättning av [I] = 0 M formel ger värdet [I3-] = 0 M. Detta driver också trijodidjämvikten helt åt vänster.

Pentajodid bildas på motsvarande sätt

Jod och jodid bildar också komplexet pentajodid.

2 I2 + I → I5

Pentajodiden har också en analog jämvikt med jod och jodid. Även här förutsätter bildningen av pentajodid att miljön varken är starkt reducerande eller oxiderande.

Material på avancerad nivå kommer.

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 och kokpunkt

Ångtryck och yttre tryck lika vid kokpunkten
Bild: © Svante Åberg

I en bägare med vatten trycker luften på vätskeytan med 1 atmosfär, vilket är cirka 1000 N dm-2. Det motsvarar tyngden av 100 kg på 1 dm2. Å andra sidan bildas ett tryck i vätskan av den ånga som bildas när vatten avdunstar. Ångtrycket ökar snabbt med temperaturen. Vid 100 °C är ångtycket lika stort som atmosfärstrycket. Det är den temperatur då vattnet börjar koka. Det som händer är att ångtrycket av bubblorna i vätskan övervinner atmosfärens tryck. Då blir det möjligt för bubblorna att expandera (utvidgas).

Om lufttrycket ovanpå vätskan är lägre, så krävs inte lika hög temperatur för att ångtrycket ska övervinna lufttrycket. Därför kokar vatten vid lägre temperatur när trycket sänks. Det är vad som sker när man drar ut pistongen i sprutan. Trycket blir faktiskt så lågt i experimentet att vattnet kokar redan vid rumstemperatur.

Vattnets ångtryck som funktion av temperaturen
Bild: © Svante Åberg

I diagrammet till höger kan man avläsa ångtrycket för vatten vid olika temperaturer. Om man vill veta vid vilken temperatur vattnet kokar vid ett viss tryck, så går man från y-axeln till grafen och ned till x-axeln. T ex kan man för 0,5 atmosfärer avläsa att vattnet kokar vid 80 °C.

Andra vätskor uppför sig på liknande sätt som vatten, men ångtrycket kan vara genomgående högre eller lägre än för vatten. Ren etanol kokar (dvs uppnår en atmosfärs ångtryck) vid 78,5 °C, isopropanol vid 82,4 °C och aceton vid 56,2 °C.

Explosionsrisk med instängda vätskor

Om man stänger in vatten i en tät behållare, som man värmer, kan trycket stiga långt över 1 atmosfär. I diagrammet ser vi att det räcker med cirka 120 °C för att nå dubbla lufttrycket, och trycket fortsätter öka mycket snabbt med ökande temperatur. För eller senare brister behållaren som vattnet finns i och man får en explosion. Kraften i en sådan explosion är långt större än vad man normalt kan föreställa sig och kan vara rent livsfarlig. Dessutom är de expanderande gaserna skållheta och kan leda till svåra brännskador. Värm därför aldrig ett tätslutande kärl som innehåller vätska!

Varmvattenberedare är exempel på att man värmer vatten som är instängt. Temperaturen kontrolleras emellertid av en termostat så att temperaturen aldrig når kokpunkten. Man måste ställa höga krav på temperaturkontrollen. Det har hänt att varmvattenberedare exploderat med svåra följder.

Lufttrycket på Mount Everest

Lufttrycket på toppen av Mount Everest, som är 8853 m högt, är bara 33 % av trycket på havets nivå. Luften är så tunn att helikoptrar inte kan flyga. Flygplanet Boeing 747 (Jumbo Jet) brukar flyga bara något högre än Mount Everest, nämligen på 34 000 fots höjd, vilket är 10 363 m.

För bergsbestigarna är det svårt att få tillräckligt med syre eftersom varje andetag bara ger en tredjedel så mycket luft. Kroppens reaktion på lågt lufttryck är att producera fler röda blodkroppar för att öka syreupptagningsförmågan. Under OS 1968 i Mexico, som hölls på hög höjd, vanns 4 av 5 långdistanslopp av idrottsmän som levt på höga höjder.

Ett lustigt fenomen är att vatten kokar redan vid 70 °C på toppen av Mount Everest.

mer material på avancerad nivå kommer

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.

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
Fakta del 2
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 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