Den tillknycklade plåtburken

Tillhör kategori: aggregationsformer, fysikalisk kemi, gaser, urval reviderat experiment

Författare: Svante Åberg

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

Den tillknycklade plåtburken

Tid för förberedelse: Försumbart

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Busenkelt

Introduktion

Denna demonstration visar att atmosfärs tryck kan trycka ihop en plåtburk. Hur kan luft få en plåtburk att tryckas ihop?

Riktlinjer

Experimentet görs förslagsvis som demonstration.

Säkerhet

Höga temperaturer förekommer i laborationen vilket alltid kräver försiktighet.

Inga speciella åtgärder för kvittblivning av avfall.

Materiel

Variant 1 (aluminiumburk)

Variant 2 (damejeanne)

Variant 3 (plastflaska)

Förarbete

Inget förarbete.

Utförande

Variant 1 (aluminiumburk)

  1. Häll lite vatten i aluminiumburken
  2. Värm aluminiumburken tills vattnet kokar och det ångar kraftigt ur burken. Detta tar ungefär en halv minut om du använder bunsenbrännare. Låt det inte koka torrt!
  3. Ta tag i aluminiumburken botten med en tång och vänd den snabbt upp och ner i det kalla vattnet eller isvattnet. Burken trycks ihop. Observera att du måste flytta burken snabbt från värmen till det kalla vattnet.
Flytta snabbt över den ångande burken i vattnet med öppningen nedåt.
Foto: © Svante Åberg

Variant 2 (damejeanne)

  1. Detta är en långsammare version av alternativ 1. Behållaren stängs igen när den är uppvärmd och därefter låter man den kallna.
  2. Koka lite vatten i den tomma och rena behållaren. Försäkra dig om att alla etiketter och eventuella plastdetaljer är borttagna från behållaren.
  3. När vattnet kokar och det ångar kraftigt ur behållaren lyfter du bort den från värmekällan.
  4. Tillslut behållaren så snabbt som möjligt med en gummikork eller skruvkork.
  5. Låt behållaren svalna i rumstemperatur eller kyl av den i en stor skål fylld med vatten/isvatten.
  6. Behållarens sidor kommer sakta att tryckas inåt.

Variant 3 (plastflaska)

  1. En plastflaska kan användas för att enklare demonstrera denna effekt.
  2. Fyll plastflaskan ungefär till hälften med mycket varmt kranvatten och skaka i cirka en halv minut.
  3. Häll ut vattnet och skruva på korken direkt. Flaskan trycks sakta ihop.

Förklaring

När vattnet kokar i burken övergår det från vätska till gas dvs ånga. Denna process kallas förångning (eller vaporisering). Ångan som bildas trycker ut en stor del av luften som finns i burken.

När burken kyls sker den motsatta processen, dvs vattenångan kondenserar till vatten i vätskeform. Eftersom vätskeformen tar mycket mindre plats än ångan så trycks burken ihop.

Det är det omgivande lufttrycket som pressar på burken utifrån. I normala fall är gastrycket lika stort på insidan av burken och orkar därför hålla emot det yttre trycket. Men när vattenångan kondenserar minskar gastrycket inne i burken.

Om man korkar igen burken är det lätt att förstå att det kan bli lägre tryck inuti. Men även i variant 1 av experimentet så knycklas burken ihop. Det beror på att vattnet inte kan tränga in lika snabbt som trycket sjunker. Hålet är för litet.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Hur kan aluminiumburken kollapsa så snabbt?

Vattenångan i burken måste kylas ned för att kondensera. Om värmen ska transporteras genom från utsidan plåten, så går det inte så snabbt. I experimentet med aluminiumburken så tränger emellertid vatten in genom öppningen. När det sker kyls vattenångan snabbare vilket gör att kallt vatten sugs in snabbare vilket gör att vattenångan kyls ännu snabbare ... osv. Avkylingen blir en accelererande process. Hela förloppet tar i storleksordningen 1/10 sekund!

Det finns ett annat experiment som liknar detta. Det är ett experiment där man fyllt en rundkolv med ammoniakgas. Ammoniak är mycket lättlöslig i vatten. När vatten väl börjat tränga in i kolven (via ett smalt rör) löser sig gasen, det blir undertryck, vattnet strömmar in snabbare, ammoniaken löser sig ännu snabbare osv. Likheten med aluminiumburken är slående, men här handlar det om löslighet i stället för kondensation. Allmänt gäller att gaser har stor volym. När gas löser sig i en vätska tar den mycket mindre plats.

Beräkning av volymerna
  • 1 mol vatten väger 18 g.
  • Som vätska är volymen 18 cm3, eftersom densiteten är 1 g cm-3.
  • Som gas är volymen 24 dm3 vid rumstemperatur (samma molvolym för alla gaser enligt gaslagen).
  • Förhållandet är 24000 cm3/18 cm3 = 1333.
GDC: Partikeltänkande

Två olika sätt som gasvolymen kan minska på

När gasen svalnar, så minskar antingen volymen. Det kan ske som en följd av Charles gaslag som säger att volymen är proportionell mot temperaturen.

Men det kan också ske genom att gasen kondenseras till vätska. Det är två helt olika processer.

Vi ska jämföra en temperatursänkning från 100 °C till rumstemperatur 20 °C.

Charles gaslag

Om det handlar om Charles gaslag, så är gasen fortfarande i gasform efter temperatursänkningen. Ta till exempel syrgas. Eftersom syrgasen är lång över sin kokpunkt både vid 100 °C och 20 °C, så gäller Charles gaslag.

Omräknat till absolut temperatur gäller

T1 = 100 °C = (273 + 100) K = 373 K
T1 = 20 °C = (273 + 20) K = 293 K

Det ger V2/V1 = T2/T1 = 293/373 = 0,79. Det betyder att efter nedkylning har volymen minskat till 79 % av den ursprungliga volymen.

Fasövergång från gas till vätska

Om vi i stället tar vattenånga som exempel, så handlar det om en fasövergång. För enkelhets skull antar vi att vi har 28 g vattenånga, vilket motsvarar 1 mol. Molvolymen för en gas är 24 dm3.

När temperaturen sjunker från 100 °C och 20 °C kondenserar ångan till flytande vatten. Densiteten för vatten är 1 g per ml. Det innebär att 18 g vatten har volymen 18 ml = 0,018 dm3.

Vi får V2/V1 = 0,018/24 = 0,00075. Det betyder att efter nedkylningen har volymen minskat till 0,075 % av den ursprungliga volymen. Det är en väldigt mycket kraftigare minskning än som gaslagen ger.

Om volymen inte kan minska, minskar i stället trycket

Om gasen befinner sig i ett stängt kärl och kärlet inte kan minska sin volym, så minskar i stället trycket inuti kärlet. Eftersom atmosfärstrycket på kärlets utsida är stort, så finns risken att kärlet inte kan hålla emot. Plåtburken är alldeles för vek för att motstå atmosfärstrycket. Därför kollapsar burken.

Allmänna gaslagen

I en ideal gas beror trycket enbart på molekylernas kollisioner. Man kan visa både experimentellt och teoretiskt att följande samband gäller:

  1. Boyles lag: Produkten pV = konstant (vid konstant n och T).
  2. Charles lag: V ∝ T (vid konstant n och p).
  3. Gay-Lussacs lag: p ∝ T (vid konstant n och V).

Utifrån detta kan man teckna en ekvation som benämns den allmänna gaslagen, pV = nRT. R är en proportionalitetskonstant med värdet 8,314 J K-1 mol-1.

Förklaring:
p = tryck (N m-2)
V = volym (m3)
n = ämnesmängd (mol)
T = absolut temperatur (K)
R = 8,314 J K-1 mol-1
Symbolen ∝ betyder "är proportionell mot".

Verkliga gaser avviker en aning från allmänna gaslagen, speciellt nära kondensationspunkten eller vid extrema tryck. Det beror på att det finns attraktionskrafter mellan molekylerna/atomerna som gaslagen inte tar hänsyn till. Dessutom blir molkylernas/atomernas egen volym inte försumbar vid mycket höga tryck, vilket gaslagen inte heller tar hänsyn till. Gaslagen förutsätter att molekylerna/atomerna är punktformiga, utan volym.

Daltons lag

När flera gaser A, B, C ... förekommer i en blandning adderas deras gastryck enligt

p = p< sub >A + p< sub >B + p< sub >C + ...

Sambandet kallas Daltons lag. Om man kombinerar allmänna gaslagen med Daltons lag visar det sig att partialtrycket för respektive gas i blandningen är proportionell mot ämnesmängden av gasen. I luft har vi cirka 80 % kvävgas, N2(g), och 20 % syrgas, O< sub >2(g). Det totala lufttrycket är 1 atmosfär (cirka 100 kPa). Kvävgasens partialtryck är därför 0,8 atmosfärer (80 kPa) och syrets partialtryck 0,2 atmosfärer (20 kPa).

Atommodellen

När man märkte att gaser reagerade med varandra i bestämda proportioner (1:1, 1:2, 1:3, 2:3, ...) förstod man att ämnen måste bestå av likadana pusselbitar som kombineras i bestämda antal. Det här var ett starkt argument för atomteorin, dvs den teori som säger att materien är uppbygd av likadana, icke-delbara partiklar. Den idén hade Demokritos haft redan på antiken, men nu hade man experimentella indicier på att atomer faktiskt existerade.

Fördjupning

Aggregationsform

Faserna och fasövergångarna

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

Fast form vid låg temperatur

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

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

Övergår till vätska (blir flytande) när temperaturen når smältpunkten

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

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

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


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

Sublimering


Fasdiagram för koldioxid.
Ben Finney Mark Jacobs: CC0

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

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

Superkritisk vätska

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

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

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

Plasma är en fjärde aggregationsform

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

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

Solen innehåller plasma

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

Andra exempel på plasma

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

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

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

Fasövergångar och bindningar

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

Starka bindningar ger höga smält- och kokpunkter

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

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

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

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

Svaga bindningar ger låga smält- och kokpunkter

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

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

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

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

Gas

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

Gastryck av molekylernas kollisioner

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

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

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

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

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

Temperatur, kärlets volym och substansmängden påverkar trycket

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

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

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

Molvolym

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

Gasens densitet

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

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

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

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

Gaspartiklarnas rörelseenergi

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

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

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

Gaslagar

Volymen och/eller trycket hos en gas varierar med temperaturen. Det beror på att med ändrad temperatur ändras gasmolekylernas rörelsehastighet. Om temperaturen sänks avtar hastigheten, krockarna mellan molekyler och molekyler och väggar blir mildare och rekylerna mindre. Om väggen kan krympa (t.ex. i en ballong) minskar volymen.


Gastrycket hos den inneslutna luften i ballongen balanseras precis av lufttrycket utanför ballongen plus ballongens elastiska sammandragning. Ifall luften är innestängd i en plastpåse som bara är delvis fylld, så bidrar inte påsen med något eget tryck, utan det är enbart det yttre lufttrycket som balanseras.
Bild: © Svante Åberg

Volymen och/eller trycket beror också på substansmängden gas, dvs. hur många mol gas vi har. En större mängd kräver antingen större volym eller ger högre tryck.

För att uttrycka sambanden mellan olika tryck, volym, temperatur och substansmängd hos gaser används följande beteckningar och enheter:

p = tryck (N/m2)
V = volym (m3)
T = absolut temperatur (K)
n = substansmängd (mol)
R = proportionalitetskonstant i allmänna gaslagen med värdet 8,314 J K-1 mol-1
k1, k2 osv. = proportionalitetskonstanter i gaslagarna med olika enheter

Allmänna gaslagen (gasernas allmänna tillståndsekvation) sammanfattar sambanden mellan substansmängd, temperatur, tryck och volym till en formel:

p·V = n·R·T (R = 8,314 J K-1 mol-1)

Evangelisto Torricello

Gaslagarna började undersökas 1643. Det började med barometern och en man som hette Evangelisto Torricello (1608-1647). Torricello använde kvicksilver för att tillverka den första barometern 1643.

Torricello fick ingen gaslag uppkallad efter sig. Däremot blev han ärad genom enheten Torr för tryck. En Torr motsvarar en mm av kvicksilverpelaren i hans barometer.

Boyles gaslag - trycket gånger volymen är konstant

Detta ledde till att Robert Boyle (1627-1691) kunde upptäcka sambandet mellan tryck och volym. År 1622 publicerade Boyle det som idag är känt som Boyles lag, dvs. att volymen av en gas är omvänt proportionell mot det absoluta trycket. Det kan också uttryckas som att produkten av trycket och volymen är konstant.

Sambandet mellan tryck och volym visas i Boyles lag:

p·V = k1 (vid konstant T och n)

Charles gaslag - volymen är proportionell mot absoluta temperaturen

I slutet av 1700-talet tog Jacques Charles (1746-1823) nästa steg på vägen mot gasernas allmänna lag. Charles gjorde vetenskapliga undersökningar om sambandet mellan trycket och temperaturen hos gaser i slutna behållare med konstant volym och kom fram till Charles lag, men han publicerade aldrig sitt arbete och det var inte förrän 1808 som resultaten publicerades. Han visade att volymen är proportionell mot absoluta temperaturen under förutsättning att trycket hålls konstant.

Sambandet mellan volym och temperatur visas i Charles lag:

V = k2·T (vid konstant p och n)


När man prickar in de experimentellt erhållna värdena för volym och temperatur kan man extrapolera den räta linjen till absoluta nollpunkten.
Bild: © Svante Åberg

Gay-Lussacs gaslag - trycket är proportionellt mot absoluta temperaturen

Resultaten publicerades då av Joseph Gay-Lussac (1778-1850) som hade gjort de slutliga mätningarna. Gay-Lussac fortsatte att undersöka sambandet mellan volymen och temperaturen hos inneslutna gaser vid konstant tryck och idag finns Gay-Lussacs lag uppkallad efter honom.

Sambandet mellan tryck och temperatur visas i Gay-Lussacs lag:

p = k3·T (vid konstant V och n)

Dalton gaslag - det totala gastrycket är summan av partialtrycken för de enskilda gaserna i en blandning

Daltons lag presenterades 1801 av John Dalton (1766-1844): det totala trycket av en blandning av är lika med summan av det partiala trycket av varje enskild gas. Partialtrycket är trycket som varje gas skulle utöva om det ensam befann sig i samma volym som de blandade gaserna med samma temperatur.

Sambandet mellan partialtrycken och det totala trycket visas i Daltons lag:

p = p1 + p2 + p3 + ... (vid konstant T och V)

Avogadros gaslag - volymen är proportionell mot substansmängden

År 1811 publicerade Amadeo Avogadro (1776-1856) en artikel som presenterade att alla gaser vid samma temperatur och tryck, lika volymer av olika gaser innehöll samma antal molekyler. Denna idé ignorerades i nästan 50 år och det var inte förrän Stanisalo Cannizaro 1860 presenterade Avogrados arbete som man erkände det. Idag kallas en mol för Avogadros konstant. Genom denna upptäckt börjar vår moderna syn på gaser.

Sambandet mellan volym och substansmängd visas i Avogadros lag:

V = k4·n (vid konstant T och p)

Allmänna gaslagen

Alla dessa samband kan sammanföras i den allmänna gaslagen eller gasernas allmänna tillståndsekvation:

p·V = n·R·T (R = 8,314 J K-1 mol-1)
Ideala gaser

Den allmänna gaslagen har vissa begränsningar. Den förutsätter att gasmolekylerna inte påverkar varandra. Vid höga tryck eller temperatur nära kondensationspunkten får de så låg energi eller kommer så nära varandra att detta inte gäller. Man har infört begreppet ideala gaser för de tänkta gaser som inte har några intermolekylära krafter. I den ideala gasen antas också att själva gasmolekylerna saknar volym.

Mer om vetenskapsmännen bakom lagarna

Det verkar ha rått delade meningar under olika tider och i olika länder om vilken vetenskapsman som ska namnge vilken lag. En presentation av männen ger en inblick i naturvetenskapens utvecklingshistoria under tre sekler.

Robert Boyle

Boyle var son till en brittisk earl och levde 1627-1691. Han studerade både i hemlandet och i Genève och Florens. Boyle ägnade mycket tid åt experiment, något som inte var så vanligt på den tiden. Studier av fysikaliska och kemiska fenomen i lufttomt rum studerades, bl.a. Boyles tankar runt hur små enheter av materia förenas i bestämda grupperingar var början till molekylbegreppet.

Jacques Charles

Charles var fransman och levde 1746-1833. Han blev professor i fysik och var pionjär på ballongflygningens område.1783 gjorde han den första uppstigningen med sin egenhändigt konstruerade vätgasballong. Han ägnade bl.a. sin forskning åt att studera hur gasers volym påverkas av temperaturen.

Joseph-Louis Gay-Lussac

Gay-Lussac var också fransman och professor i fysik. Han levde 1778-1850. Gay-Lussac gjorde ballonguppstigningar och tog luftprover från olika höjder. Han upptäckte att väte och syre förenades till vatten i volymförhållandet 2 till 1 och fortsatte att studera gasreaktioner. Vidare förbättrade han framställningstekniken för natrium, kalium och svavelsyra och upptäckte grundämnet bor.

John Dalton

Dalton som levde 1766-1844 är känd som den moderna atomteorins grundare. Den formulerades i början av 1800-talet och stod sig i nästan 100 år. Dalton observerade viktförhållandet mellan olika ämnens minsta partiklar och detta ledde honom till atomteorin. Han antog att grundämnen bestod av med en för ämnet karaktäristisk massa. Dalton skrev meteorologisk dagbok i 57 år och gjorde undersökningar på partiell färgblidhet.

Amadeo Avogadro

Italienaren Avogadro, som levde 1767-1856, var först jurist och ämbetsman. Han blev, efter att ha bytt bana, professor i naturfilosofi och fysik. Inspirerad av Gay-Lussacs studier av gasers volymförhållanden vid kemiska reaktioner formulerade han tesen att alla gaser vid samma tryck och temperatur innehåller samma antal molekyler. Detta accepterades på 1860-talet.

Avogadro har fått ge namn åt Avogadros konstant, antalet molekyler eller partiklar i substansmängden en mol.

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.

Ångtryck och kokpunkt

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

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

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

Vattnets ångtryck som funktion av temperaturen
Bild: © Svante Åberg

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

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

Explosionsrisk med instängda vätskor

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

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

Lufttrycket på Mount Everest

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

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

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

mer material på avancerad nivå kommer

Vattenånga i jämvikt med vattenlösning

Avdunstning och kondensation sker samtidigt

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

Motsatta processer leder till jämvikt

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

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

Avdunstning

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

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

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

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

Kondensation

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

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

Jämvikten

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

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

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

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

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

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

Ångtryck över lösningar

Trycket kommer från gasmolekylernas kollisioner

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

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

Vatten som avdunstar ger ångtryck

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

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

Inverkan av det lösta ämnet i vattnet

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

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

Raoults lag

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

Plösning = Xlösningsmedel·Prent lösningsmedel

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

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

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

Litteratur

  1. Shakhashiri, B.Z. (1985). Chemical demonstrations: a handbook for teachers of chemistry. Vol. 2. Madison, Wisc.: University of Wisconsin Press.
  2. Ideala gaslagen, Wikipedia
    https://sv.wikipedia.org/wiki/Ideala_gaslagen (2015-10-02)
  3. Allmänna gaslagen, Magnus Ehinger
    https://ehinger.nu/undervisning/kurser/kemi-1/lektioner/inaktuella/661-tre-faktorer-som-paverkar-gastrycket-allmanna-gaslagen.html (2017-10-10)
  4. Gas laws, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_laws (2017-09-05)
  5. The Historical Gas Laws, Jeff Altig, New Mexico Tech
    https://infohost.nmt.edu/~jaltig/HistoricalGasLaws.pdf (2017-09-05)
  6. Vapor pressure, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Vapor_pressure (2017-09-07)
  7. Vapor pressure, Purdue University
    https://www.chem.purdue.edu/gchelp/liquids/vpress.html (2017-10-10)
  8. Vapor Pressure, Chemistry LibreTexts
    https://chem.libretexts.org/Textbook_Maps/General_Chemistry_Textbook_Maps/Map%3A_Chemistry%3A_The_Central_Science_(Brown_et_al.)/11%3A_Liquids_and_Intermolecular_Forces/11.5%3A_Vapor_Pressure (2017-10-10)
  9. Vapor Pressure, Equilibrium Vapor Pressure, and Relative Humidity (YouTube), Duttin Institute
    https://www.youtube.com/watch?v=7E7lvcuC9eQ (2017-10-10)
  10. Boiling, Atmospheric Pressure, and Vapor Pressure (YouTube), Wayne Breslyn
    https://www.youtube.com/watch?v=ffBusZO-TO0 (2017-09-07)
  11. Evaporation vs Boiling, Hyper Physics
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/vappre.html#c3 (2016-03-11)
  12. Vapor Pressure and Boiling (YouTube), Wayne Breslyn
    https://www.youtube.com/watch?v=ffBusZO-TO0 (2017-09-07)
  13. Saturated Vapor Pressure, Hyper Physics
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/vappre.html#c1 (2016-03-11)
  14. Vapor Pressure Equilibrium (YouTube), Flinn Scientific
    https://www.youtube.com/watch?v=InzLTZhSMk0 (2017-09-07)
  15. Demonstration of Vapor Pressure (YouTube), David Naylor
    https://www.youtube.com/watch?v=i0Frx_bPsT8 (2017-09-07)
  16. Vapor Pressure Experiment (YouTube), Tom Tomashek
    https://www.youtube.com/watch?v=D5Dd7ZtVH4M (2017-09-07)
  17. Evaporative Cooling - Science behind the dippy bird (YouTube), Mbibe Labs, Indian Institute och Science, YouTube
    https://www.youtube.com/watch?v=nyczz9NsFgs (2017-08-24)
  18. Evaporative cooling explained (YouTube), Stephen Hill, YouTube
    https://www.youtube.com/watch?v=pyV4LhTsrwQ (2017-08-24)
  19. Evaporation, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Evaporation (2017-08-24)
  20. Enthalpy of vaporization, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Enthalpy_of_vaporization (2017-09-07)
  21. Heat of vaporization, Chemistry LibreTexts
    https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Thermodynamics/State_Functions/Enthalpy/Enthalpy_Of_Vaporization (2017-09-07)
  22. Humidity Calculator, Australian Government, Bureau of Meteorology
    http://www.bom.gov.au/lam/humiditycalc.shtml (2017-08-24)
  23. Humidity Calculator, Thermo Scientific
    http://www.humcal.com/ (2017-10-10)
  24. Relative Humidity, Hyper Physics
    http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/relhum.html (2016-03-11)
  25. Dewpoint Calculator, Wolfgang Kühn
    http://www.decatur.de/javascript/dew/index.html (2017-08-24)
  26. Steam Table Generator, Wolfgang Kühn
    http://www.decatur.de/javascript/dew/tables.html (2017-08-24)
  27. Clausius-Clapeyron Equation, Chemistry LibreTexts
    https://chem.libretexts.org/Core/Physical_and_Theoretical_Chemistry/Physical_Properties_of_Matter/States_of_Matter/Phase_Transitions/Clausius-Clapeyron_Equation (2017-09-07)
  28. Clausius-Clapeyron relation, Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Clausius%E2%80%93Clapeyron_relation (2017-09-07)

Fler experiment


aggregationsformer
Avdunstning och temperatur
Badbomber
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Brus-raketen
Den frysande bägaren
En märklig planta
Ett glas luft
Exempelfil_Försvinnande bläck (Erik Lövbom)
Fryspunktsnedsättning
Förtenning
Gore-Tex, materialet som andas
Gör ditt eget läppcerat
Gör ett avtryck från papper till stearin
Hockey-visir
Hur fungerar en torrboll?
Hur kan man göra kläder av plast?
Hur mycket vatten finns i maten?
Kemi i en brustablett
Kemiskt snöfall
Koka vatten i en spruta
Kondomen i flaskan
Kristallodling
Kristallvatten i kopparsulfat
Lödtenn 60
Molnet i flaskan
Myggmedel - hur funkar det?
Osynlig gas
Platta yoghurtburkar
Popcorn
Salta isen
Saltat islyft
Slime
Smältpunkten för legeringen lödtenn
Snöflingeskådning
Studsboll
Syrehalten i luft
Tillverka en parfym och gör doftande skraplotter
Utfällning av aluminium
Utsaltning av alkohol i vatten
Varför slipper bilen varma yllekläder på vintern?
Varför smäller inte ballongen?
Vattenvulkan
Ägget i flaskan

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 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
Åka hiss
Ägget i flaskan
Älskling, jag krympte ballongen

gaser
Blåsa ballong med hjälp av PET-flaska
Den tunga koldioxiden
Diffusionshastigheten hos ammoniak respektive väteklorid - en jämförelse
Ett glas luft
Försvinnande bläck
Gasvolym och temperatur
Ljuset under glaset
Mentos-pastiller i kolsyrad läsk
Osynlig gas
Syrehalten i luft

urval reviderat experiment
Anodisering och färgning av aluminium
Avdunstning och temperatur
Citronbatteri
Den brinnande sedeln
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?
Åka hiss