Åka hiss

Tillhör kategori: fysikalisk kemi, jämvikt, urval reviderat experiment

Författare: Svante Åberg

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

Åka hiss

Tid för förberedelse: 10 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Ofarligt

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Kan du få spaghetti eller russin åka hiss i en vätska? Det går genom att skapa bubblor av koldioxid som får spaghetti och russin att flyta upp när bubblorna sitter fast och sjunka när bubblorna lossnar uppe vid vätskeytan.

Riktlinjer

Aktiviteten passar bra för alla åldrar och fungerar bra både som demonstration och som experiment hemma.

Säkerhet

Inga särskilda försiktighetsåtgärder är nödvändiga.

Spola ned det använda natriumbikarbontatet och ättikan i vasken. Förvissa dig om att spaghettin eller russinen inte följer med i avloppet.

Materiel

Variation

Förarbete

Bryt spaghettin i 1-2 cm långa bitar. Skär russinen i små bitar. Blötlägg russinen i vatten i 5-10 minuter om de har torkat ut, innan du använder dem.

Utförande

  1. Lös ett par rågade teskedar bikarbonat i ett glas med vatten.
  2. Släpp ner de "hissåkande" bitarna av ituskurna russin eller små spaghetti.
  3. Tillsätt några matskedar ättika.

Variation

Du kan prova den här aktiviteten med kolsyrad läskedryck i stället för bikarbonatlösning.

Du kan minska hastigheten av "hissåkandet" genom att låta läskedrycken stå öppen några minuter innan du använder den.

Förklaring

Ättika (eller vinäger) (CH3COOH) är en vattenlösning av ättiksyra. Den reagerar med natriumbikarbonat (NaHCO3) genom att producera koldioxidgas, CO2(g), och en vattenlösning av natriumacetat (CH3COO-Na+).

En del av koldioxiden löser sig i vattenlösningen, men det mesta av koldioxiden bildar gas som orsakar bubblorna som fastnar på de "hissåkande" bitarna sedan det första skummandet avtagit. Bubblor av koldioxid fastnar på ytan av spaghettin eller russinen. Volymen av den fasta partikeln plus gasen är större än volymen av den fasta partikeln ensam; emellertid är ökningen i massa väldigt liten. Det gör att medeldensiteten (medeltätheten) är lägre än för vattenlösningen, så att spaghettin eller russinen flyter upp till ytan. Många av bubblorna spricker vid ytan, så att nettovolymen minskar. Densiteten är då högre än för vattnet och spaghettin eller russinen sjunker igen. Processen upprepas till dess produktionen av koldioxid avtar.

Man kan jämföra med uppblåsta simdynor eller innerslang. Volymen av simdynorna ökar personens volym åtskilligt; men massan av av dynorna är mycket liten. Nettoresultatet är att personens-simdynornas medeldensitet blir lägre än för vattnet så att han eller hon kan flyta. Om man släpper ut luften ur simdynorna går processen åt andra hållet och personen sjunker.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

GDC: Jämvikt

När vi tillsätter syra i natriumvätekarbonatet (= natriumbikarbonat) omvandlas vätekarbonat till sin surare form, som är kolsyra. Kolsyran kan också bildas när koldioxid löser sig i vatten. Men reaktionen när kolsyra bildas ur koldioxid kan gå åt andra hållet. Då sönderdelas kolsyra till koldioxid och vatten. Koldioxiden bildar bubblor. Det är detta fenomen man kan se i kolsyrade drycker.

En förutsättning för att bubblor ska bildas är att gastrycket i bubblan är minst lika med atmosfärstrycket. Vi börjar med ett jämförande exempel, nämligen kokande vatten. Vid kokpunkten övergår flytande vatten till vattenånga. Ångan är en gas och vid 100 °C är ångtrycket i det kokande vattnet 1 atmosfär, precis så mycket som behövs för att övervinna luftens tryck på vattenytan. Då kan bubblorna av vattenånga expandera och bli större. Eftersom vattenångan är mycket lättare än flytande vatten, så stiger bubblorna uppåt.

I vårt experiment bildas gasen från kolsyran som sönderdelas, inte på grund av temperaturen. Ju högre koncentrationen av kolsyra är, desto högre gastryck av koldioxid kan det bli. Det är en jämvikt mellan koldioxid som kolsyra och koldioxid som gas.

I lösningen av vätekarbonat finns en jämvikt med kolsyra som i sin tur står i jämvikt med koldioxidgas. Men jämviktsläget är sådant att det mesta är vätekarbonat. Betydligt mindre är kolsyra och ännu mycket mindre är koldioxid. När syran tillsätts påverkar man jämvikten så att det mesta blir kolsyra och bara en liten del är vätekarbonat. Eftersom det är mycket kolsyra, så kan det också bli ganska mycket koldioxid, så mycket att det börjar bildas bubblor med gastrycket 1 atmosfär.

GDC: Energi

En sak vi inte har nämnt är att ytspänningen också påverkar bildningen av bubblor. Ytspänningen i vatten verkar sammandragande på bubblorna. Ju mindre radien är hos bubblan, desto kraftigare blir ytspänningen. Det är faktiskt så att när bubblorna är mikroskopiska, så krävs det i storleksordningen 1,5 atmosfärer för att bubblan ska kunna bildas. När bubblan sedan växer därför att mer koldioxid tas upp, så lättar ytspänningen och bubblan kan plötsligt expandera lättare.

Det här betyder att gastrycket måste vara betydligt högre än 1 atmosfär i det ögonblick bubblan skapas. Det finns dock möjligheter att underlätta bildandet av bubblor. Till exempel kan en repa i glaset vara ställen där gas lättare kan samlas och växa till bubblor. Ett annat exempel är när man släpper ned Mentos-tabletter i kolsyrade drycker. Mentos-tabletternas yta är perfekt för att underlätta den första gasbildningen. Repan i glaset och Mentos-tabletternas ytskikt är exempel på katalysatorer för gasbildningen. De ger en genväg till gasbildningen där man inte behöver skapa det höga initiala gastrycket.

Reaktionen i experimentet

Reaktionen för experimentet kan skrivas så här:

NaHCO3(s) + CH3COOH(aq) → CO2(g) + H2O(l) + CH3COONa+(aq)

Man kan också förenkla reaktionsformeln så att bara de reagerande partiklarna tas med. Då blir det så här:

HCO3 + H+ → CO2(g) + H2O

Vätejonerna kommer från jämvikten mellan ättiksyran och vattnet:

CH3COOH(aq) + H2O(l) ⇄ H+(aq) + CH3COO(aq)

Fördjupning

Koldioxid-karbonatsystemet

Koldioxid tillsammans med vatten ingår i en serie former av kolsyra och karbonater som står i jämvikt med varandra. Förutom koldioxid och vatten som bildar kolsyra finns också syra-basjämvikterna mellan kolsyran och dess salter. Vi har följande:

CO2(g) CO2(aq) löslighetsjämvikt
CO2(g) + H2O(l) H2CO3(aq) jämvikt för bildning av kolsyra
H2CO3(aq) HCO3 + H+ syra-basjämvikt
HCO3 CO32– + H+ syra-basjämvikt

Den första jämvikten är en löslighetsjämvikt där koldioxidgas löser sig i vatten. Den andra jämvikten är en reaktion mellan koldioxid och vatten som bildar kolsyra. Den tredje och fjärde jämvikten är syra-basjämvikter där vätejoner ingår.

Alla dessa jämvikter är kopplade. Det innebär att en förändring i halten koldioxid i atmosfären fortplantar sig genom hela systemet så att till exempel halterna vätekarbonat och karbonat också påverkas.

Men eftersom vätejonerna också ingår i jämvikterna, så påverkas koldioxid-karbonatsystemet av sura och basiska ämnen i lösningen. pH är därför en viktig faktor.

Beräkningsexempel på koldioxid i jämvikt med vatten

Vi ska göra beräkningar på jämvikten mellan koldioxid i luften och kolsyra och karbonater i vatten. Värdena gäller för sötvatten vid rumstemperatur. Det är viktigt att känna till att jämviktskonstanterna är starkt beroende av temperatur och salthalt. Därför blir värdena annorlunda om man ska räkna på havsvatten eller kallare vatten.

Jämvikten mellan koldioxid i luften och i vattnet

Henrys lag tillämpad på koldioxid lyder KH = PCO2/[CO2(aq)] = 29,41 atm/(mol dm–3)

Koldioxidhalten 0,0387 % i luften vid 1 atmosfär ger PCO2 = 3,87·10-4 atm

Koncentrationen löst koldioxid i vattnet är då [CO2(aq)] = PCO2/K = 3,87·10-4 atm / (29,41 atm/(mol dm–3)) = 1,316·10-5 mol dm–3 ≈ 1,3·10-5 mol dm–3

Jämvikten mellan löst koldioxid i vattnet och kolsyra

Jämviktskonstanten för bildningen av kolsyra är K = [H2CO3(aq)]/[CO2(aq)] = 1,3·10-3

Halten kolsyra blir då [H2CO3(aq)] = [CO2(aq)] · 1,3·10-3 = 1,316·10-5 mol dm–3 · 1,3·10-3 = 1,711·10-8 mol dm–3 ≈ 1,7·10-8 mol dm–3

Första protolyssteget av kolsyran

Jämviktskonstanten för bildningen av vätekarbonat ur kolsyran är KA1 = [H+][HCO3]/[H2CO3(aq)] = 2,00·10-4 mol dm–3

Halten vätekarbonat blir då [HCO3] = 2,00·10-4 mol dm–3 · [H2CO3(aq)] / [H+]) = 2,00·10-4 mol dm–3 · 1,711·10-8 mol dm–3 / [H+] = 3,421·10-12 (mol dm–3)2 / [H+]

Antag att pH är 8,14, vilket innebär [H+] = 10-8.14 mol dm–3

Vi får [HCO3] = 3,421·10-12 mol dm–3 / [H+] = 3,421·10-12 (mol dm–3)2 / (10-8.14 mol dm–3) = 4,723·10-4 mol dm–3 ≈ 4,7·10-4 mol dm–3

Andra protolyssteget av kolsyran

Jämviktskonstanten för bildningen av karbonat ur vätekarbonatet är KA2 = [H+][CO32–]/[HCO3] = 4.69·10-11 mol dm–3

Halten karbonat blir då [CO32–] = 4,69·10-11 mol dm–3 · [HCO3] / [H+] = 4,69·10-11 mol dm–3 · 4,723·10-8 mol dm–3 / (10-8.14 mol dm–3) = 3,057·10-6 mol dm–3 ≈ 3,1·10-6 mol dm–3

Jämvikt

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

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

A ⇄ B

En liknelse för att förklara jämvikten

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

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

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

Vi öppnar kranen

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


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

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

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

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

Vi ändrar flödet

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

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

Exempel på jämvikter

Esterjämvikten

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

alkohol + syra → ester + vatten

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

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

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

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Löslighetsjämvikt

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

NaCl(s) ⇄ Na+ + Cl

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

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

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

Jämviktsläget

Massverkans lag

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

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

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

Sannolikheten för kemisk reaktion vid en kollision

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

Aktiveringsenergin måste övervinnas för att reaktion ska ske

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

När energinivåerna skiljer, så påverkar det jämviktsläget

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

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

Jämviktskonstanten är ett mått på jämviktsläget

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

2 H2 + O2 ⇄ 2 H2O, K = 3,2·1081 M–1

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

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

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

alkohol + syra ⇄ ester + vatten, K ≈ 4

Le Chateliers princip

Henri Le Chatelier var en fransk kemist under senare delen av 1800-talet. Han arbetade som gruvingenjör i franska statens tjänst och blev så småningom professor, därefter ledamot i både Franska vetenskapsakademin och utländsk ledamot i svenska Vetenskapsakademien. Bland annat genomförde han studier över kemisk jämvikt. Han kom då fram till den princip som bär hans namn:

Om ett kemiskt system, där jämvikt råder, påverkas av en förändring i koncentration, temperatur eller totaltryck, kommer jämvikten att ändras så att förändringen motverkas.

Den kemiska jämvikten gör alltså motstånd mot förändringar, men kompenserar inte helt för den yttre påverkan som systemet utsatts för. Om till exempel etanol ingår som ett reagerande ämne i en jämvikt, och vi tillsätter mera etanol, så kommer reaktionen efter störningen av förbruka etanol. Men det blir inte riktigt hela tillsatsen av etanol som förbrukas, utan halten etanol i blandningen kommer faktiskt att vara lite högre sedan den nya jämvikten har ställt in sig.

Exempel på tillämpning av Le Chateliers princip

Estrar är väldoftande ämnen som kan framställas genom att låta alkohol och syra reagera med varandra så att ester och vatten bildas.

alkohol + syra ⇄ ester + vatten

Esterjämvikten är inte så starkt förskjuten åt höger. För att driva jämvikten hårdare åt höger kan man ta bort vatten som bildats. Det kan ske genom att man tillsätter torkmedel av till exempel vattenfri natriumsulfat. Natriumsulfatet binder upp vattnet så att det inte längre är tillgängligt i esterjämvikten.

Det vatten som tas bort ersätts, enligt Le Chateliers princip, genom att reaktionen går åt höger. Det innebär att ester bildas, samtidigt som alkohol och syra förbrukas. Det nya vatten som bildas tas också upp av torkmedlet, så reaktionen kan fortsätta ytterligare åt höger så att ännu mer ester bildas.

Estrar är opolära ämnen som är olösliga i vatten. Estern flyter därför som ett skikt ovan på vattenlösningen. Däremot är alkoholen och syran vattenlöslig. När man är nöjd med reaktionen, så kan skiktet av ester på ytan dekanteras av och man får ester i ganska ren form.

Exempel med bildning av ammoniak ur kvävgas och vätgas

Ett exempel är reaktionen när kvävgas reagerar med vätgas till ammoniakgas i den så kallade Haberprocessen:

N2(g) + 3 H2(g) ⇄ 2 NH3(g) + 92 kJ

Detta är en jämvikt mellan ämnen i gasform där vi har 4 delar gas i vänsterledet och 2 delar gas i högerledet. Reaktionen åt höger halverar antalet mol gas, vilket ger minskat gastryck om volymen hålls konstant. Reaktionen åt höger är exoterm, vilket innebär att inneboende energi hos ämnena avges och ombildas till värme.

Vi ska nu tillämpa Le Chateliers princip på denna jämvikt med några olika fall. Utgångspunkten är att systemet är i jämvikt. Därefter rubbar jämvikten på något sätt. Sedan förutsäger åt vilket håll reaktionen kommer att ske.

Tillförsel av kvävgas eller vätgas

I reaktionsformeln finns kvävgas och vätgas i vänsterledet. Om vi pumpar in mer kvävgas eller vätgas, så blir det "för mycket" kvävgas/vätgas i vänster led i förhållande till jämviktsläget. Reaktionen kommer att gå åt höger så att kvävgas och vätgas förbrukas. Det leder till att det bildas ammoniak. Dessutom avges värme, vilket gör att temperaturen höjs i systemet.

Tillförsel av ammoniak

Om vi pumpar in ammoniak blir det "för mycket" ammoniak i högerledet. Reaktionen sker då åt vänster så att mängden ammoniak minskar och det bildas mera kvävgas och vätgas. Reaktionen är endoterm, det vill säga den förbrukar energi. Därför sjunker temperaturen.

Bortförsel av ammoniak

Om vi på något sätt kan ta bort ammoniak från reaktionsblandningen, till exempel med en reaktion som binder upp ammoniakgas så att den inte kan delta i jämvikten längre, så blir det "för lite" ammoniak i högerledet. Det leder till att reaktion sker åt höger för att ersätta ammoniak som försvunnit. Kvävgas och vätgas förbrukas så att mängden av dem minskar. Reaktionen åt höger är exoterm, vilket leder till att temperaturen ökar.

Vi värmer reaktionsblandningen

Genom att värma reaktionsblandningen kan vi öka dess temperatur. Enligt Le Chateliers princip reagerar då systemet för att motverka temperaturökningen. Reaktionen sker då i endoterm riktning, det vill säga åt vänster. Det medför att ammoniak förbrukas och det bildas kvävgas och vätgas.

Ökning av trycket genom att minska volymen

Detta är en gasjämvikt, vilket innebär att systemet är känsligt för ändringar i volymen. Gaskoncentrationen ökar när vi komprimerar gasen genom att minska volymen.

Detta leder till en ökning av gastrycket. Systemet reagerar genom att motverka tryckökningen. Eftersom det är 4 delar gas i vänsterledet, men bara 2 delar gas i högerledet, så leder en reaktion åt höger till att gastrycket minskar. Minskningen av volymen gör därför att kvävgas och vätgas förbrukas och ammoniak bildas. Samtidigt är reaktionen åt höger exoterm, vilket gör att temperaturen ökar.

Minskning av trycket genom att öka volymen

Detta är motsatsen till föregående fall. När volymen ökar, så minskar gastrycket. Systemet motverkar tryckminskningen genom att reaktionen sker åt vänster så att antalet mol gas ökar. Reaktionen åt vänster är endoterm, vilket ger sänkt temperatur.

Den nya jämvikten som ställer in sig

Även om systemet motverkar den rubbning av systemet som vi orsakade, så kan systemet inte fullt ut kompensera för den påverkan som vi orsakade.

Om vi till exempel pumpar in extra kvävgas, så sker reaktionen åt höger så att kvävgas förbrukas. Men koncentrationen kvävgas, sedan den nya jämvikten ställt in sig, kommer inte att återgå helt till den koncentration som rådde vid den ursprungliga jämvikten, utan det blir kvar en rest av den påverkan som vi skapade. Därför är koncentrationen av kvävgas aningen högre i den nya jämvikten.

Detta kompenseras av att koncentrationen av vätgas är något lägre i den nya jämvikten än i den ursprungliga. På motsvarande sätt blir koncentrationen av ammoniak något högre i den nya jämvikten, än i den ursprungliga.

Inverkan av trycket

Det som styr jämvikten, vad gäller de ingående ämnena, är ämnenas koncentrationer. Jämviktens läge har att göra med reaktionshastigheten åt höger i jämförelse med reaktionshastigheten åt vänster. Eftersom kemisk reaktion sker i samband med att partiklar kolliderar, så är hastigheten koncentrationsberoende. Högre koncentration, ger högre hastighet.

Det är bara gaser som påverkas av trycket. Det beror på att gaser komprimeras av ett högre tryck, men vätskor och fasta ämnen är nästan inte alls komprimerbara. Därför är effekten av tryck på jämvikten bara något som man behöver ta hänsyn till när man har gaser i systemet.

Exempelvis påverkas inte jämvikten mellan fast och löst natriumklorid av trycket.

NaCl(s) ⇄ Na+(aq) + Cl(aq)

NaCl(s) är ett fast ämne vars volym inte ändras märkbart vid ändrat tryck. Natriumjonerna och kloridjonerna i vattenlösning påverkas inte heller eftersom vattenvolymen inte påverkas av trycket, i varje fall inte så länge som vattnet är i vätskeform.

Fysikaliska reaktioner

Le Chateliers princip är utformad för kemiska jämvikter. Principen fungerar dock i princip även för fysikaliska förändringar, till exempel övergångar mellan olika aggregationsformer.

För fysikaliska förändringar blir dock bilden rätt komplicerad när man behöver ta hänsyn till att mekaniskt arbete utförs, till exempel när gaser expanderar. Även temperaturförändringar vid adiabatisk expansion eller kompression inverkar. Då är vi inne på termodynamik, vilket vi inte tar upp närmare just nu.

Kolsyrade drycker

Tre svenskar uppfann den kolsyrade drycken

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

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

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

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

Läskedrycken

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Hälsoeffekter

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

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

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

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

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

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.

Försurning av haven

Halterna i atmosfären

Koldioxidhalten i atmosfären är mycket låg, bara cirka 0,04 %, men har ändå stor betydelse i miljön. Dels är koldioxiden en växthusgas som höjer jordens temperatur, dels löser sig koldioxid lätt i vattnet och bildar kolsyra.

Halterna koldioxid i luften har ökat sedan industrialismen slog igenom och fortsätter att öka. Anledningen är att vi använder fossila bränslen som tidigare var gömda i marken och inte kom ut i atmosfären, men som nu adderas till den koldioxid som naturligt förekommer som en del av kolets kretslopp mellan växter och djur.

Löslighet och pH i vatten

Lösligheten för koldioxid i vatten är hög därför att den kolsyra som bildas när den reagerar med vattnet sedan reagerar vidare och bildar vätekarbonat. Jämviktsprocesserna gör att det då frigörs plats för att ytterligare koldioxid ska lösa sig och bilda kolsyra. Eftersom kolsyran är en syra sänks pH i vattnet, det blir surare.

Organismer med kalkskelett påverkas

I havet lever många organismer med kalkskelett. Kalken är kemiskt sett kalciumkarbonat, ett basiskt ämne. Karbonatet i skelettet står i jämvikt med löst karbonat i vattnet. Jämvikten innebär att kalken i skelettet både avger och tar emot karbonatjoner från vattnet. Men när vattnet är surt förbrukas karbonat och bildar vätekarbonat, som är en något surare form av karbonat. Detta minskar tendensen för karbonat att bindas till kalkskelettet. Resultatet blir att organismens skelett har svårt att växa till och djuret lider, överlever kanske inte.

Exempel på djur med kalkskelett är musslor, krabbor, koraller, med flera. Speciellt korallreven är illa ute. De utsätts dels för surare vatten, dels för förhöjda temperaturer som de inte tål. Dessutom är korallreven mycket långlivade kolonier som byggs upp under tusentals år och som inte klarar plötsliga förändringar i miljön.

Korallreven är mycket viktiga ekologiska system som ger skydd och underlag för otaliga arter av djur och växter. Den biologiska produktionen på reven är mycket stor. Om reven dör, så försvinner till exempel en stor del av fisken i haven.

Kolets kretslopp i havet och atmosfären

Det uppskattas att cirka 30-40 % av människans utsläpp av koldioxid absorberas av haven och andra vattendrag. Under perioden mellan år 1751 och 1996 beräknar man att ytvattnet i haven har minskat sitt pH från cirka 8,25 till 8,14. Det motsvarar en ökning av vätejonhalten [H+] med 35 %.

Det finns ett ständigt utbyte av koldioxid i sina olika former mellan atmosfären och havet, mellan vatten på olika djup, och mellan sedimenterat och löst kol. Man brukar talar om "koldioxidens biologiska och fysikaliska pumpar".


CO2-cykeln i havet och atmosfären.
CC BY-SA 2.5

Växthuseffekten

Växthuseffekten orsakas av en grupp gaser av vilka de viktigaste är vattenånga, koldioxid, metan, dikväveoxid, ozon och freoner.

Koldioxiden - en växthusgas vi behöver ha koll på

Koldioxid är genomsläppligt för solens synliga strålning, men inte för värmestrålning. Det gör att ljuset passerar genom atmosfären till jordens yta. Samtidigt som ytan värms upp så uppstår infraröd värmestrålning som inte tar sig tillbaka till rymden därför att koldioxidmolekylerna absorberar den. Denna infångade energi värmer upp atmosfären i en process som kallas för växthuseffekten.

Växthuseffekten
Atmosfärens koldioxid fungerar på samma sätt som glaset i ett växthus.
Bild: © Svante Åberg

Koldioxiden är den viktigaste växthusgasen i vår atmosfär. Koldioxiden kan liknas vid glaset i ett växthus. De energirika, kortvågiga solljuset (gult i figuren) passerar glaset/koldioxiden och omvandlas värme när det absorberas i växtligheten och marken. Värmen återutsänds som långvågig värmestrålning (orange i figuren) men denna strålning förmår inte tränga genom glas/koldioxid och hålls därför kvar.

Andra växthusgaser

Syret och kvävet som det finns mycket av i atmosfären är praktiskt taget genomskinliga för den långvågiga värmestrålningen. Därför bidrar syret och kvävet inte nämnvärt till växthuseffekten.

Men det finns andra växthusgaser, exempelvis vatten. Mängden vattenånga i atmosfären varierar mycket. Det är också ett komplicerat samspel mellan vattenånga, molnbildning och temperatur. Molnen reflekterar det synliga, infallande ljuset från solen och minskar på så vis uppvärmningen av jorden. Men molnen bidrar också till att lägga sig som ett täcke över jorden som håller kvar den infraröda värmestrålningen och bidrar till att öka växthuseffekten. Det hela blir mycket komplicerat att räkna på.

Metan är en mycket effektiv växthusgas, men förekommer å andra sidan i små mängder. Bidrag till metan i atmosfären kommer från förmultnande organiskt material, från utvinning av fossila bränslen och från boskapsskötsel. Speciellt i permafrosten i de nordligaste delarna på jordklotet finns mängder med organiskt material som inte har brutits ned fullständigt. När växthuseffekten gör att tundran börjar tina sätter metanproduktionen igång. Det ökar på växthuseffekten så att det tinar ännu snabbare. Det blir en självförstärkande reaktion som kan göra att vi tappar kontrollen över temperaturökningen. Cirka 40 % av alla metanutsläpp som orsakas av människor är kopplade till utvinningen av fossila bränslen. Även sophantering och avloppsvatten ger utsläpp. Att boskap ökar på mängden metan har att göra med deras matsmältning. Idisslande kor pruttar och rapar en hel del metan.

Växthusgasernas betydelse

Det mesta av växthuseffekten är naturlig och har alltid funnits. Den är bra och nödvändig för livet in den form det har på jorden. Jordens medeltemperatur är +15 °C. Utan växthuseffekten skulle medeltemperaturen vara c:a 30 °C lägre. Att vatten (H2O) kan förekomma i olika former är av grundläggande betydelse för många processer på jorden.

Men när vi talar om växthuseffekten menar vi ofta den ökade växthuseffekt som leder till global uppvärmning. Det är själva förändringen som är problematisk.

Om man rangordnar växthusgaserna så bidrar vatten mest till växthuseffekten, därefter koldioxid. Sedan följer ozon, dikväveoxid och metan.

Koldioxiden avviker på ett extremt sätt från den naturliga växthuseffekten i och med att den har ökat väldigt mycket på grund av människans påverkan. Problemet är att fossila bränslen som i årmiljoner varit gömda i marken nu förbränns och adderas till den naturliga mängden koldioxid i atmosfären.

Man kan tro att någon grad hit eller dit för jordens medeltemperatur inte skulle vara så viktig, men klimateffekterna är dramatiska. Vädersystemet är mycket känsligt och även mindre störningar kan förändra nederbörd, vindar och lokala temperaturer kraftigt.

Några exempel på hur klimatet kan påverkas är

Jorden är en planet med biosfär, dvs. ett tunt skikt på jordens yta där liv existerar. Den biologiska väven av otaliga organismer har genom evolutionen under årmiljarder anpassats till förhållandena på jorden. Om förhållandena ändras alltför snabbt hinner naturen inte anpassa sig och många arter går under. Även mindre förändringar i jordens klimat påverkar livet mycket.

Extrem växthuseffekt på planeten Venus

Uträkningar har gjorts på mängden koldioxid på jorden (inklusive den koldioxid som är bundet i form av karbonater och det som är löst i vatten) och jämförts med mängden koldioxid på Venus. Det har visat sig att mängderna är ungefär lika stora. Skillnaden är att på Venus finns den mesta koldioxiden i atmosfären medan den på jorden är löst i vattnet och bunden i kalksten och växtlighet. Venus atmosfär består till 96,5 % av koldioxid medan jordens atmosfär bara innehåller 0,03 %.

Växthuseffekten på jorden är tydlig, men på Venus är den extrem. Venus yttemperatur är därför mycket hög, ungefär 470 °C. Atmosfärstrycket på Venus är dessutom mycket högt, 95 bar, jämfört med jordens lufttryck på 1 bar.

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Ättiksyra

Ättiksyra är en organisk syra med två kolatomer och har formeln CH3COOH. Ibland skrivs på en förkortad form HAc, där Ac representerar acetatjonen CH3COO. Ättiksyran kallas också etansyra. Som alla organiska syror har molekylen den karaktäristiska gruppen –COOH.

Syran är svag med pKa = 4,76, vilket är det pH då syran har avgett 50 % av sina vätejoner. Även ganska koncentrerade lösningar av ättiksyra har därför ett pH-värde som måttligt lågt.

Ättiksyra bildas när etanol oxideras, till exempel om vin får stå öppet och utsättas för luftens syre. Vinäger bildas på detta sätt och är en gammal ingrediens i smaksättning av rätter.

Ättiksyra tillverkas vanligen syntetiskt genom reaktion mellan metanol och kolmonoxid, men kan också tillverkas med bakteriell fermentering, dvs. på biologisk väg.

En hel del ättiksyra används i hemmen för inläggningar och smaksättning, men större delen av ättiksyran som produceras används i den kemiska industrin för att tillverka estrar, speciellt vinylacetat-monomerer som sedan polymeriseras till plasten polyvinylacetat (PVA).

Ättiksyra i olika koncentrationer för olika ändamål

Ättika som säljs har olika koncentration beroende på vad den ska användas till. För olika recept kan man också späda ättikan till lämplig koncentration.

Isättika

Isättika är 100 % ättiksyra, i varje fall över 90 %. Isättika är frätande och luktar starkt. Den ska hanteras med försiktighet.

Namnet isättika kommer av att smältpunkten (= fryspunkten) för ren ättiksyra är 16,6 C, alltså strax under rumstemperatur.

Isättika fungerar som lösningsmedel för en del plaster. Till exempel brukade man skarva filmer på den tiden som filmerna byggde på ljuskänsliga silversalter på en celluloidbas. Celluloiden löstes upp av isättikan. Filmändarna lades samman och fick torka. Celluloiden smälte samman i en kemiskt homogen skarv.

Vanlig ättika

Vanlig ättika av märket Perstorp är 24 %-ig. Det finns dock andra fabrikat som säljer 12 % ättika. Ättikan hanteras med viss försiktighet. Den har en stark lukt. Ofta späder man ättika enligt anvisningarna i matrecepten.

Ättika är bakteriedödande. Till exempel kan man i samband med avfrostning av kylskåpet passa på att skölja av det invändigt med en lösning av lika delar ättika och vatten. Men se till att skölja efter med rent vatten så att resterna av ättika inte finns kvar och kanske påverkar plasten.

Ättika kan också användas för att ta bort kalkavlagringar på diskbänken eller i kaffebryggaren.

Ett recept för att avkalka kaffebryggaren är att blanda 1 dl 24 % ättika med 6 dl vatten i kaffebryggaren. Sätt på bryggaren så att hälften av lösningen passerar. Stäng av bryggaren i 10 minuter för att ättiksyran ska få verka. Sätt på den igen och låt resten av lösningen passera. Brygg därefter 3-4 omgångar med rent vatten.


Ättiksyra ger snabbt ärg av kopparacetat på en kopparslant.
Bild: Svante Åberg

Ättiksyra har en förmåga att snabbt ge grön ärg på koppar. Det räcker med ångorna från ättikan för att kopparen ska ärga inom några timmar. Föreningen som bildas är kopparacetat.

Ättiksyrans förmåga att korrodera koppar, men även andra metaller, gör att den bör användas med försiktighet i kontakt med till exempel elektronisk utrustning. Glöm inte att även ångorna av ättiksyra kan vara korrosiva.

Ättiksprit

Ättiksprit är 12 %. Den fungerar som vanlig ättika, men är hälften så koncentrerad.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 1 del vatten.

Ogräsättika

Ogräsättika är ofta 12 %.

Om du inte vill köpa särskild ogräsättika, så kan du själv blanda till ogräsättika av 1 del 24 % ättika + 1 del vatten.

Ättika dödar växter och kan användas som ogräsmedel. Spruta ättiklösningen på ogräset eller vattna med den, så dör ogräset inom 2-3 dagar. Eftersom ättiksyra avdunstar, så ska man inte använda det i växthus eftersom ångorna sprider sig även till växter man vill ha kvar.

Använd inte ogräsättika till matlagning eftersom du inte kan vara säker på att den inte innehåller andra tillsatser som ska döda ogräset.

Inläggningsättika

Inläggningsättika är vanligtvis 6 %.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 3 delar vatten.

Matättika

Matättika är vanligtvis 3 %.

Den kan blandas till av 1 del 24 % ättika + 7 delar vatten.

Vinäger

Vinäger innehåller ättiksyra, men är inte bara ättika. Vinägern innehåller dessutom smakämnen från det vin eller den cider som den är framställd av.

Ättiksyra som lösningsmedel

Sammantaget har ättiksyran både polära och opolära egenskaper. Den kan därför lösa polära ämnen, såsom alkoholer, sockerarter och salter, men är även löslig i opolära lösningsmedel såsom kloroform och hexan.

Polära egenskaper

Ättiksyrans karboxylgrupp –COOH ger polära egenskaper, särskilt när syran dissocieras till acetat, Ac. Ättiksyran är en svag syra och i vattenlösning har vi följande jämvikt:

HAc + H2O ⇄ H3O+ + Ac

Jämvikten i vattenlösning förskjuts åt höger när ättiksyralösningen är utspädd. Då förekommer mera av syran i form av den korresponderande basen acetat, som är en negativ jon.

Opolära egenskaper

I en koncentrerad lösning är jämvikten förskjuten åt vänster, det vill säga syraformen, som är en oladdad molekyl. I sin syraform är de polära egenskaperna mindre framträdande. Till det bidrar kolvätegruppen –CH3.

För ättiksyra gäller att Ka = 1,75·10–5 M. Med lite räknande kan man få fram att för en lösning av 0,1 M ättiksyra så är bara 1,3% av ättiksyramolekylerna protolyserade.

Tunnskiktskromatografi

I tunnskiktskromatografi är det viktigt att hitta en eluent med rätt polaritet för att kunna ge rätt löslighet åt de provfläckar som ska vandra på tunnskiktsplattan. Ofta väljer man en blandning av kolväte + ester + organiskt syra. Ett typiskt recept kan innehålla hexan + etylacetat + ättiksyra + vatten.

Natriumvätekarbonat

Natriumvätekarbonat kallas också natriumbikarbonat, eller helt enkelt bikarbonat.

Vätekarbonatet i jämvikt med koldioxid och karbonater finns överallt i naturen

Vätekarbonat finns nästan överallt i naturen eftersom det är nära kopplat till koldioxid, som ju finns i atmosfären. Koldioxiden löser sig i vatten och bildar då kolsyra. Kolsyran står sedan i syra-basjämvikt med vätekarbonat.

Vätekarbonatet ingår i kolets kretslopp på grund av jämvikten med kolsyra. Vid matsmältningen bryts maten ned till bland annat koldioxid och vatten. Koldioxiden förs bort med blodet till lungorna. Vi andas sedan ut koldioxiden.

Växterna gör tvärtom. De tar upp koldioxid via sina klyvöppningar och koldioxiden löser sig i cellvätskorna. Där står koldioxiden också i jämvikt med vätekarbonat. I fotosyntesen binds koldioxiden/vätekarbonatet och tillsammans med vatten och solenergi bildas sockerarter som bygger upp växterna.

Kalksten är en bergart av mineralen kalciumkarbonat. Kalciumkarbonat är svårlöslig, men kan reagera med surt vatten. Surt regn får kalkstenen att lösas upp. Då bildas vätekarbonat. I havet finns stora mängder koksalt, som ju innehåller natriumjoner. Man kan därför säga att upplöst kalksten som hamnar i havet finns där i form av natriumvätekarbonat.

Vätekarbonat bildar koldioxid tillsammans med syra

Om man har karbonat i någon form, vare sig det är vätekarbonat eller karbonat, så får man koldioxidutveckling om man tillsätter syra. Följande reaktion sker:

H+ + HCO3 → H2CO3(aq) → CO2(g) + H2O(l)

från vätekarbonat, respektive

2 H+ + CO32– → H2CO3(aq) → CO2(g) + H2O(l)

från karbonat.

Detta är ett sätt att testa om ett salt innehåller vätekarbonat eller karbonat.

Vätekarbonat sönderfaller vid 200 C

Förutom att reaktionen med syra kan ge koldioxidutveckling, så kan även vätekarbonat sönderdelas av hög värme. Vid temperaturer över 200 C sker följande:

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

Man får även här koldioxidutveckling. Eftersom natriumkarbonat är ett stabilt ämne, så avges bara en koldioxid av två molekyler vätekarbonat.

Men om temperaturen skulle vara så hög som över 850 C, så fortsätter sönderfallet till natriumoxid, det vill säga även den andra koldioxiden avges:

Na2CO3 → Na2O(s) + CO2(g)

Bikarbonat används vid bakning

Bikarbonat (= natriumvätekarbonat) används som hävningsmedel vid bakning. Bikarbonat ingår också i bakpulver tillsammans med sura ämnen som kan få vätekarbonatet att avge koldioxid. Det är koldioxidgasen som får bakverket att bli poröst.

I recept där bikarbonat används behövs något surt som gör att vätekarbonatet kan bilda koldioxid, till exempel fil. Restprodukten natriumkarbonat är också lite bitter och tvålaktig i smaken. Därför behövs sura ingredienser i bakverket.

Övrig användning av vätekarbonat

Natriumvätekarbonat finns i brustabletter, oftast tillsammans med citronsyra. När tabletten läggs i vatten löses vätekarbonat och syra upp, så att de kan komma i kontakt med varandra och reagera. Resultatet blir kraftig koldioxidutveckling.

En bisarr och rätt grym metod att bli kvitt kackerlackor är att mata dem med bikarbonat. I kackerlackans mage utvecklas koldioxid som får insekten att svälla upp och spricka.

Natriumvätekarbonat sägs också kunna används för att bekämpa svamptillväxt.

Allmänt gäller att ämnen som används för rengöring av icke-feta fläckar är basiska. Även natriumvätekarbonat kan användas för fläckborttagning, till exempel av rostfläckar.

Salt med både sura och basiska egenskaper

Natriumvätekarbonat är ett salt med övervägande basiska egenskaper. Saltet är amfotert, dvs. kan fungera både som syra och som bas. Vätekarbonatet fungerar som bas genom att ta upp en vätejon kring pH 6,35 övergår då till kolsyra. Det kan också fungera som syra genom att avge en vätejon kring pH 10,33 och övergå till karbonat.

kolsyra pKa1,app = 6,35 vätekarbonat pKa2 = 10,33 karbonat
H2CO3(aq) H+ + HCO3 2 H+ + CO32–

Notera: Värdet pKa1,app =6,35 ovan är ett apparent pKa-värde för kolsyra som egentligen avser summan av kolsyra H2CO3(aq) och löst koldioxid CO2(aq) i jämvikt med varandra i lösningen. Mängden löst koldioxid är betydligt större än den faktiska mängden kolsyra.

Syra-basegenskaperna gör vätekarbonat till en pH-buffert

En pH-buffert fungerar så att den förbrukar tillsatt syra eller bas och stabiliserar på så vis pH-värdet. Syra-basreaktionerna för vätekarbonatet sker kring pKa-värdena pH 6,35±1 och pH 10,33±1. Det är kring dessa värden som den buffrande förmågan finns.

Vätekarbonat finns till exempel i blodet, där pH ligger mellan 7,35 och 7,45, det vill säga aningen åt det basiska hållet. Vid pH 7,4 är jämvikten 92 % vätekarbonat och 8 % kolsyra (och 0 % karbonat).

Vätekarbonat buffrar också naturliga vatten. Koldioxid som finns i atmosfären och som bildas vid nedbrytning av organiskt material kan lösa sig i vattnet. Kolsyran står då i kemisk jämvikt med vätekarbonat. Dessutom finns mineraler som är karbonater, främst kalksten. Kalkstenen kan lösas upp av syror och bilda vätekarbonat. Allt detta tillsammans ger an blandning av kolsyra, vätekarbonat och karbonat där vätekarbonatet är den viktigaste lösta jonen som buffrar pH.

Vätekarbonat finns i tabletter mot sur mage. Den pH-buffrande förmågan gör att en alltför sur mage motverkas.

Man använder också vätekarbonat i pH-buffertar på kemilab. Då används den oftast tillsammans med andra amfotera salter för att utöka den buffrande förmågan över ett större pH-intervall, inte bara kring pH 6,35 och 10,33.

Syra är reagens på karbonater

Syra är ett reagens på karbonat- och vätekarbonatjoner. Kännetecknet på karbonat är att när syran tillsätts, så sker gasutveckling av koldioxid. Även karbonater i fast form ger koldioxidutveckling tillsammans med syra.

Detta test används inte bara av kemister, utan även av t.ex. geologer. Många mineraler i naturen är nämligen karbonater. Om du droppar saltsyra på kalksten så börjar det bubbla av koldioxid samtidigt som stenen löses upp.

Observera att syran måste vara tillräckligt stark. Saltsyra (HCl) är en bra syra för detta ändamål.

Jämvikt från karbonat till koldioxid

Reaktionen åstadkoms via en serie kemiska jämvikter listade nedan, som drivs åt höger. Ämnena i serien är karbonat (CO32-), vätekarbonat (HCO3-), kolsyra och koldioxid (CO2).

1: CO32-(aq) + H+(aq) HCO3-(aq)
2: HCO3-(aq) + H+(aq) H2CO3(aq)
3: H2CO3(aq) H2O(l) + CO2(aq)
4: CO2(aq) CO2(g)

Om man ökar halten vätejoner i lösningen, H+, så driver man de två första jämvikterna åt höger. Det medför att halten H2CO3(aq) (kolsyra) ökar vilket driver jämvikt 3 åt höger. Det medför i sin tur att halten CO2(aq) (koldioxid) ökar så att jämvikt 4 drivs åt höger. Summan av kardemumman blir att det bildas koldioxidgas om man surgör en lösning som innehåller karbonat eller vätekarbonat.

En basisk lösning tar upp koldioxid från luften

Motsatsen gäller också. Om man har en basisk vattenlösning, det vill säga en lösning där halten vätejoner är mycket låg, så kommer koldioxid från luften att lösa sig i vattnet och bilda karbonat. Om man vill förvara en basisk lösning en längre tid är det därför viktigt att förvara lösningen i ett slutet kärl för att undvika kontamineringen av koldioxid från luften.

Att en basisk lösning tagit upp koldioxid kan man bevisa genom att tillsätta överskott av syra. Då bildas bubblor av koldioxid.

Men det tar tid innan tillräckligt koldioxid löst sig eftersom halten koldioxid i luften är så låg. Om du vill testa hur basiska lösningar absorberar koldioxid, vänta då någon vecka innan du undersöker lösningen med tillsatsen av stark syra.

Karbonater

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

Följande mineraler är karbonater:

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

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

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

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Luftens löslighet i vatten

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

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

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

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

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

Henrys lag

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

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

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

Koldioxiden har särskilt hög löslighet i vatten

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

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

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

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

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

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

Temperaturberoendet hos gasers löslighet

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

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

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

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

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

Övermättad lösning

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

Livsmedel

Maten håller igång oss

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

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

Matens ursprung

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

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

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

Tycke och smak

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

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

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

material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Vatten

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

Vattnets ovanliga egenskaper

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

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

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

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

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

Vattnet är livsnödvändigt

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

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

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

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

Vattnet blev referens för temperaturskalan

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

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

Vätebindningar karaktäriserar vattenmolekylen

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

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

Vätebindningarna ger hög ytspänning

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

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

Vinklad molekyl ger hexagonal struktur

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

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

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

Vattnets syra-basegenskaper

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

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

Densitetsmätningar

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

Att bestämma densiteten hos ett fast föremål

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

Vikten kan mätas med dynamometer

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

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

Volymen kan bestämmas med Arkimedes princip

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

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

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

Beräkna densiteten hos vätskan

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

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

Att bestämma densiteten hos en vätska

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

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

Fyll sedan på vätska till den önskade volymen.

Bestäm vikten hos vätskan

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

Bestäm volymen hos vätskan

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

Beräkna densiteten hos vätskan

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

Särskilda mätinstrument för densitetsbestämningar

Hydrometer

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

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

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

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

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

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

Pyknometer

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

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

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

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

Litteratur

  1. Carbon Dioxide, Chemical of the Week, Bassam Shakhashiri
    http://www.scifun.org/CHEMWEEK/CarbonDioxide2017.pdf (2017-03-10)
  2. Carbon dioxide in Earth's atmosphere, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide_in_Earth%27s_atmosphere (2017-09-07)
  3. Ocean acidification, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Ocean_acidification (2017-09-08)
  4. Carbon Dioxide and Carbonic Acid, Utah State university
    http://ion.chem.usu.edu/~sbialkow/Classes/3650/Carbonate/Carbonic%20Acid.html (2017-09-08)
  5. Dissolved Oxygen and Carbon Dioxide, Prof. Shapley, University of Illinois
    http://butane.chem.uiuc.edu/pshapley/GenChem1/L23/web-L23.pdf (2017-09-08)
  6. Dissolved Carbon Dioxide, Utah State university
    http://ion.chem.usu.edu/~sbialkow/Classes/3650/CO2%20Solubility/DissolvedCO2.html (2017-09-08)
  7. Carbon Dioxide - Carbonic Acid Equilibrium, Utah State university
    http://ion.chem.usu.edu/~sbialkow/Classes/3600/Overheads/Carbonate/CO2.html (2017-09-08)
  8. Carbon dioxide, NIST
    http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C124389&Mask=10 (2017-09-08)
  9. Henry's law, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Henry%27s_law (2017-09-08)
  10. Läskens ingredienser, Sveriges bryggerier
    http://sverigesbryggerier.se/lask/tillverkning/ingredienser/ (2017-10-06)

Fler experiment


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

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

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