Eld - varför brinner det?

Tillhör kategori: förbränning, urval experiment under revidering, vardagens kemi

Författare: Monica Björnfot, Malin Taube

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

Eld - varför brinner det?

Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 20 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Hur kommer det sig att ett ljus brinner? Vilka är eldens förutsättningar? Är det samma förutsättningar för allt som brinner? Med dessa tankar kan man undersöka ett brinnande stearinljus för att ta reda på svaren till frågorna.

Riktlinjer

Elevförsök eller grupparbete är att rekommendera.

Säkerhet

Tänk på att ha tillgång till vatten och eventuellt andra släckningsanordningar när ni arbetar med eld. Gå igenom hur man gör om det skulle börja brinna.

Inget av avfallet är farligt och går bra att kasta. Dock bör man vara uppmärksam på materialet som man eldat är ordentligt släckt.

Materiel

Förarbete

Se till att ha brandsläckningsmöjligheter. Kontrollera nödutgångar.

Utförande

  1. Tänd ljuset.
  2. Blås på ljuset så att det slocknar. Vilken del av triangeln har man tagit bort?
  3. Tänd ett ljus och ställ det ner i ett högt kärl med lite sand.
  4. Ta några teskedar med ättika och häll ned i skålen.
  5. Smula sönder ett rent äggskal i kärlet. Vad händer? Varför?
  6. Tänd ett ljus och släck det med en skum- eller pulversläckare. Vilken del av triangeln har man nu tagit bort?
  7. Tänd ett ljus och studera hur stearinet rör sig.
  8. Fundera över eldtriangeln. Kan alla material kan brinna bara man har tillräckligt med syre och värme? När försöker man ta bort brännbart material?

Förklaring

Eld är en kemisk reaktion (förbränningsreaktion) där grundförutsättningen för att eld ska kunna existera är att det finns bränsle, syre och att antändningstemperaturen är tillräckligt hög.

Olika slags energier behövs för att det ska kunna brinna. Värmeenergi kan lösa ut lagrad energi ur bränsle, som sedan blir till ljus- och värmeenergi. Många bränslen innehåller kol, väte och syre. Dessa förgasas vid hög temperatur och då förenar gaserna sig med syre ur luften till bl.a. koldioxid.

Försöket där ett ljus placeras i ett högt kärl fungerar så att äggskal tillsammans med en syra bildar koldioxid som får ljuset att slockna. För att få fart på reaktionen kan ibland en starkare syra än ättika behövas, t.ex. saltsyra.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Vad krävs för att det ska brinna?

Stearinljus

Eld är en kemisk reaktion (förbränningsreaktion) där grundförutsättningen för att eld ska kunna brinna är att det finns bränsle, syre och att temperaturen är tillräckligt hög för antändning. Ett exempel är när cellulosan i veden reagerar med luftens syre. Då bildas det koldioxid och vatten (H2O). Dessa kallas för förbränningsprodukter. Ett brinnande ljus är också en förbränningsreaktion.

Eld är ett exempel på den oxidation som sker överallt omkring oss. Den enda skillnaden mellan t.ex. rostbildning eller en explosion är hur snabbt processen fortlöper. Elden är en förbränningsprocess som fortlöper så snabbt att flammor och ljus bildas, men inte så snabbt att det sker en explosion.

Eldtriangeln
Eldtriangel

Med hjälp av en eldtriangel kan man förklara vad som behövs för att det ska kunna brinna. Olika experiment kan visa på vad som händer om man tar bort någon sida i triangeln.

Syre

Luftens syre räcker till de flesta förbränningar. Mer syretillförsel leder till ökad förbränningshastighet. Om syrehalten i luften, som idag är ca 21 %, skulle öka ett par procent skulle antalet skogsbränder och eldsvådor öka kraftigt.

Genom att ta bort syret från luften kvävs en eld. Försöket med att kväva ett ljus med äggskal och ättika är ett exempel på detta. Syran i ättikan reagerar med kalciumkarbonatet från äggskalet. Koldioxid bildas sakta, fyller kärlet och tränger undan syret. Detta p.g.a. att koldioxid är tyngre än syre.

Värme

Brännbara ämnen måste uppnå en viss temperatur innan de kan brinna. Papper börjar brinna vid 230 °C medan torrt trä brinner först vid 400 - 500 °C. Antändningstemperaturen beror också på hur syretillförseln är. Ökad syrehalt medför lägre antändningstemperatur.

Brännbart ämne

Det de flesta människor tänker på brännbart material som papper och träd, men ökar vi bara värmen eller syretillförseln brinner fler ämnen än vi normalt tänker på. Med eld- och brandgator utnyttjar man eldens behov av brännbart ämne som saknas i dessa fall.

Eldsläckning i praktiken - mest en fråga om nedkylning

I experimentet tar vi bort syret från luften genom att ersätta det med koldioxid, vilket bidrar till att kväva elden. Ättiksyran i ättikan reagerar med kalciumkarbonatet från äggskalet. Koldioxid (CO2) bildas sakta, fyller kärlet och tränger undan syret (O2). Detta p.g.a. att koldioxid är tyngre än syre. Vi har alltså tagit bort den vänstra sidan av brandtriangeln. Men det är faktiskt så att koldioxiden också bidrar till att kyla elden (högra sidan av brandtriangeln). När det sker minskar förångningen av bränslet, och man kan på så sätt säga att man indirekt även tar bort bränsle från elden (basen i brandtriangel). I praktiken är det alltså ganska komplicerat.

Vid eldsläckning med riktiga pulversläckare sönderdelas pulvret av värmen och koldioxid utvecklas. Sönderdelningen av pulvret är energikrävande, vilket tar värme från elden. Pulversläckare fungerar därför främst genom nedkylningen av elden (Se Myndigheten för samhällsskydd och beredskap (MSB) skrift Vatten och andra släckmedel).

Vid släckning med vatten är återigen nedkylningen den viktigaste effekten. Men vattenångan som bildas hjälper till att driva bort syret från brandhärden. Därför är även här mer än en sida i brandtriangeln inblandad.

Människan har använt eld i 1,6 miljoner år

Utvecklingen från öppen eld till spis med häll har skett under lång tid. De första tändstickorna uppfanns inte förrän på 1800-talet. Ljus hade man däremot använt under lång tid. Romarna exempelvis använde ljus som var tillverkade av bivax. Under 1100-talet infördes talgljus, och 1825 fick M. E. Chevreul och J. L. Gay-Lussac patent på ljus av stearin. Moderna ljus tillverkas av en blandning av hård paraffin (smältpunkt 51-55 °C) och stearin. Stearin, som tillsätts för att höja smältpunkten och förlänga brinntiden, består av en blandning av palmitinsyra och stearinsyra med smältpunkterna 61 respektive 69 °C. Själva stearinblandningen har dock lägre smältpunkt än både palmitin- och stearinsyran, bara 56 °C.

Ljusvekar görs av flätad bomullstråd som betats med borsyra, salmiak (ammoniumklorid) och fosfater eftersom ren bomull skulle brinna för snabbt och dessutom ryka. Genom att fläta veken platt kommer den att böja sig när den förkolnar, luta ut ur ljuslågan och brinna upp. Cellulosan i veken reagerar då med betsalterna i en sönderdelning som inte ger upphov till aska.

Så brinner lågan

När ett ljus väl har tänts kommer värmen från lågan att smälta vaxet, vilket sedan sugs upp längs veken av kapillärkraften och förångas. Genom att studera ett ljus på nära håll ser man hur stearinet rör sig enligt pilarna i figuren till höger. De frigjorda kolvätemolekylerna kommer sedan att verka på flera olika sätt i förbränningsprocesserna.

Bild: © Svante Åberg

En ljuslåga kan vetenskapligt klassificeras som en diffusionsflamma, vilket betyder att luft diffunderar in i bränslet i flamman. En annan typ av flamma är den förblandade flamman i vilken bränsle och luft blandas innan förbränningen. En förblandad flamma återfinns t.ex. i Bunsenbrännaren.

Strax ovanför och runtom en brinnande veke finns en mörk zon och ovanför den ett lysande gult område. Längst ner är lågan ljust blå. Temperaturen i den mörka zonen är ganska låg, omkring 600 °C, och ökar till omkring 1200 °C i mitten av det gula området. Den högsta temperaturen, 1400 °C återfinner man i den övre ytterkanten av den lysande gula delen av lågan.

Spektrum
Ljuset i en brasa, stearinljus osv uppstår när svävande kolpartiklar tar upp energin och börjar glöda. Det blir olika färger på ljuset beroende på hur varmt det är.
Bild: © Svante Åberg

Lågans kemi och utstrålning

Förångade kolvätemolekyler sönderdelas stegvis av hettan i den mörka zonen intill veken, främst genom förlust av C2H4 och CH2-radikaler. Den ljusa blå zonen längst ner är en reaktionszon. Den blå färgen beror främst på utstrålning från två exciterade molekyler, C2 och CH, vilka bildas i exciterat tillstånd genom de reaktioner som skapar dem.

Reaktionszonen fortsätter uppåt runtom lågans gula område. Här reagerar radikaler från de sönderdelade kolvätena med syre från luften under bildning av CO2 och vatten i en komplicerad reaktion som ännu inte är förstådd fullt ut. Någon direktkontakt mellan icke sönderdelat bränsle och luft finns inte, eftersom dessa båda komponenter hålls åtskilda av ett lager av förbränningsprodukter.

Den intressantaste delen av lågan är det lysande gula området, från vilket huvuddelen av ljusutstrålningen kommer. Detta område kallas också kolzonen eftersom det består av sotpartiklar av kol. Dessa bildas överst i den mörka zonen från sönderdelade kolväten, vilka har en hög halt av kol eftersom förhållandet väte/kol är lågt.

De ursprungliga sotpartiklarna varierar i storlek från 10 till 200 nm, och så småningom klumpar de ihop sig till långa kedjor. De värms upp av de heta förbränningsgaserna och av värmestrålningen från reaktionszonen så att de börjar glöda. Ljus utstrålas inom hela det synliga spektrat, men utstrålningen är intensivast inom de gula våglängderna. När de glödande sotpartiklarna stiger upp genom det gula området förbrukas de genom reaktion med vatten och koldioxid under bildning av kolmonoxid (CO).

Om veken inte böjs ut ur lågan och förbränns, kommer den att bli för lång och för mycket bränsle kommer att tillföras lågan. I ett sådant fall kommer lågan att sota eftersom inte alla sotpartiklar hinner förbrännas. Det är då nödvändigt att förkorta veken genom att klippa ner den.

Om du blåser ut ljuset kommer du att se en strimma vit rök. Den består av kolväten som förångats från den ännu varma veken och sedan kondenserats till ett aerosolmoln av droppar med en medeldiameter om ungefär 0,15 mikrometer. Om du snabbt för en tänd tändsticka mot rökstrimman kommer denna att fatta eld och flamman röra sig ned mot veken och antända den senare på nytt.

Mindre än 0,4 % av den energi som bildas när ett ljus brinner utstrålas i form av synligt ljus. Den mesta strålningen utsänds som värmestrålning inom det infraröda området. Detta är gynnsamt, eftersom vinternätter i Sverige inte bara är mörka utan också kalla, och den värme du får från ljuset är i det långa loppet betydligt bättre för ditt välbefinnande än den värme du kan få från överkonsumtion av fet skinka och snaps.

Fördjupning

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".

Syre

Syre i jordskorpan

Syret är det vanligaste grundämnet i jordskorpan. Där ingår det i en mängd olika mineraler, främst oxider, karbonater och silikater.

ämnehalt i jordskorpan
syre45,5 %
kisel27,2 %
aluminium 8,3 %
järn 6,2 %

Syre i atmosfären

I luften finns syre i form av O2-molekyler och i stratosfären (den övre delen av atmosfären 15-40 km) finns syre i form av ozon, O3. Ozonskiktet skyddar jorden från solens ultravioletta strålning.

Torr luft innehåller ca 21 % syre och 78 % kväve. Resten består av ädelgaser och koldioxid. Luftens vattenhalt kan variera mellan 0,01 och 4,0 volymprocent.

Syrehaltens inverkan

Syre underhåller brand

Om syrehalten i luften går under 16 % slocknar en brand av sig själv. Men normalt innehåller luften 21 % syre, vilket gör att ved och annat brinner lätt. Om syrehalten är högre, över 30 % som man tror den har varit en tidigare period i jordens historia, så kan bränder få nästan explosiva förlopp. Ett sätt att påvisa syre i skolan är att sänka ned en glödande sticka i en kolv med syrgas. Syret får elden att flamma upp.

Människokroppen är anpassad till 21 % syre

Vår kropp är väl anpassad till en syrehalt på 21 %. Om syrehalten sjunker ner mot 14 % får man en ökad andningstakt och ökad puls. Ner mot 10 % blir man snabbt utmattad och omdömet minskar kraftigt. Under 10 % är man orkeslös och kan inte gå eller stå. Under 6 % blir man medvetslös och hjärnan tar snabbt skada av syrebristen.

Men högre syrehalt än de normala 21 % som finns i luften är inte heller alltid bra. Att andas in ren syrgas fräter på lungorna eftersom syret är en mycket reaktiv gas. Men ännu värre är riskerna att syret skadar nervsystemet och det kan till och med leda till döden. Dykare som andas ren syrgas kan råka illa ut om tekniken inte fungerar som den ska. Det finns också många andra skador som höga syrehalter kan orsaka på kroppen.

Jordens atmosfärs historia

När jorden skapades för ca 4,6 miljarder år sedan fanns inget syre i atmosfären. Den bestod främst av koldioxid, vattenånga, kväve och svavelångor. De första primitiva organismerna i urhavet använde energi från järn och svavel. Så småningom utvecklades cyanobakterierna. De använde sig av solenergi för att omvandla koldioxid och vatten till energirikt druvsocker. Som restprodukt bildades syre. Processen kallas fotosyntesen.

Syre är ett mycket reaktivt ämne som gärna reagerar med andra ämnen. Detta gör syre giftigt för många organismer. Det syre som bildades av cyanobakterierna togs upp av fria metalljoner och det dröjde ca 2 miljarder år tills syrehalten började stiga i atmosfären. Då hade alla metalljoner, främst järn, som var lösta i haven bundits. Så har de flesta av våra järnmalmer bildats.

Att syre frigjordes till atmosfären var en förutsättning för att livet skulle "kliva upp på land". Syret i den övre delen av atmosfären bildade ozonskiktet som skyddar livet på land mot UV-strålning. Den syrehaltiga miljön på land gav bra förutsättningar för de organismer som anpassat sig till syret och kunde utnyttja det i sin energiomsättning.

Under karbon och perm, 360-250 miljoner år sedan, fortsatte syrehalten att stiga. Då dominerades jorden yta av enorma träskmarker med stora skogar av ormbunkar. Syrehalten fortsatte att stiga till 35 % och den höga syrehalten gynnade utvecklingen av jättelika insekter och dinosaurierna. En så hög syrehalt gjorde luften explosiv och minsta gnista kunde orsaka bränder. Genom enorma skogsbränder sänktes syrenivån till 21 %. En del forskare tror att den sänkta syrehalten kan ha bidragit till att dinosaurierna dog ut. Med en syrehalt på 21 % finns en balans mellan växternas fotosyntes och förbrukningen av syrgas hos alla övriga organismer.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Koldioxid

Egenskaper

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

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

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

Kolsyresnö och torris är koldioxidid fast form

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

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

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

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

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

Tillverkning och användning

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

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

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

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

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

Ett oorganiskt ämne med stor biologisk betydelse

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

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

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

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

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

Ökande koldioxidhalter i atmosfären försurar haven

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

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

Ökande koldioxidhalter i atmosfären orsakar global uppvärmning

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

Koldioxid i form av vätekarbonat stabiliserar pH

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

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

Koldioxid deponerad som mineraler

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

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

Fördelningen är följande:

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

Koldioxid som superkritisk vätska

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

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

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

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

Litteratur

  1. Bonniers stora lexikon, 1985, Bonnier Fakta Bokförlag AB, Stockholm.
  2. Bra böckers lexikon, 1976, Bokförlaget Bra böcker AB, Höganäs.
  3. Christer Ekdahl m.fl., Kemi spektrum, 1995, Ingenjörsförlaget, Stockholm.
  4. Arthur Good, Tom tits experiment, 1984, Liber Utbildning AB, Stockholm.
  5. Steve Parker, Kul att kunna för unga kemister, 1990, Teknografiska institutet, Solna.
  6. Hans Persson och Liber AB, Försök med Kemi, 1998, Svenskt tryck AB, Vällingby.
  7. Vatten och andra släckmedel, Stefan Särdqvist, Myndigheten för samhällsskydd och beredskap (MSB)
    https://www.msb.se/sv/Produkter--tjanster/Publikationer/Publikationer-fran-SRV/Vatten-och-andra-slackmedel/ (2013-11-10)
  8. Flame, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Flame (2006-12-25)
  9. Tom Tits experiment, Tom Tits experiment
    http://www.tomtit.se/ (2003-05-24)
  10. Flame Structure Studies, Robert M Fristrom, Hopkins University
    http://media.iupac.org/publications/pac/1990/pdf/6205x0839.pdf (2008-12-17)
  11. Smile Program Chemistry Index, Science and Mathematics Initiative for Learning Enhancement (SMILE)
    http://www.iit.edu/~smile/cheminde.html (2003-05-24)
  12. Candle Flames in Microgravity (CFM), Microgravity Science Division, NASA
    http://microgravity.grc.nasa.gov/combustion/cfm/cfm_index.htm
  13. Candle Flame in Microgravity, Space Team Online, NASA
    http://quest.arc.nasa.gov/space/teachers/microgravity/9flame.html (2003-05-24)
  14. Fuels - Part VIII, Brodhead Garrett/Frey Resources
    http://home.att.net/~cat6a/fuels-VIII.htm (2003-08-22)
  15. Stearin, Shenet
    http://www.shenet.se/ravaror/stearin.html (2003-11-26)

Fler experiment


förbränning
Bensinbrand
Bränna papper
Den brinnande sedeln
Elda stålull
Eldprovet
Karbidlampan
Ljuset under glaset
Pulversläckare
Självantändning med glycerol och permanganat
Släcka fett på rätt sätt
Tillverka tomtebloss
Tänd ett släckt ljus med hjälp av röken
Vad händer då något brinner?
Värma med ljus - bra eller dåligt?

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
Elda stålull
En märklig planta
Gelégodis i vatten
Gör hårt vatten mjukt
Gör kopparslanten skinande ren - med redoxkemi
Hur gör man kakan porös?
Indikatorpärlor
Kemi i en brustablett
Kemi i en plastpåse
Koka vatten i en spruta
Ljuset under glaset
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
När flyter potatisen?
Osmos i ett ägg
Osmos i potatis
Pelargonens färg
pH i kokt mineralvatten
pH-beroende avfärgning av rödkål
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

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