Trolleri med vätskor

Kemisk bakgrund

Experimentet finns både i Ingenjör Lundströms experimentbok från 1987 och boken Tom Tits experiment från 1898 under rubriken "Vatten förvandlas till vin". Skillnaden är att Tom Tit använde sig av riktigt vin samt ullgarn istället för en bit disktrasa. Lundström skriver: "Experimentet har anor från vinflödande middagar i 1800-talets välbeställda hem. Vin, vatten, tre glas och en lampveke var ingredienserna. Men vinet byter vi idag ut mot T-röd och karamellfärg." och "...lampvekar har blivit så sällsynta idag att vi istället väljer en bit disktrasa."

Olika slags vatten

Vatten är det vanligaste ämnet som finns på jorden. Vatten är en kemisk förening mellan grundämnena väte och syre och har formeln H₂O. Varje vattenmolekyl består med andra ord av tre atomer.

Destillerat vatten får man fram på laboratoriet genom att koka vanligt vatten och kyla ner den bildade vattenångan så att den blir flytande vatten igen. Detta vatten är helt rent och innehåller inga upplösta ämnen. Det smakar inte lika bra och är inte ett fullvärdigt dricksvatten, eftersom kroppen behöver ämnen som är upplösta i vanligt dricksvatten [8].

Vatten i naturen innehåller små mängder upplösta ämnen. Beroende på var vattnet finns och vilka egenskaper de har, ger vi det olika namn.

Grundvatten utgör 0,6% av allt vatten på jorden och är sådant vatten som fyller ut håligheter nere i jorden. På vägen filtreras det och är därför klart och luktfritt. Däremot innehåller det salter som lösts ut ur marken. Salterna ger vattnet en frisk smak men kan också göra det mindre lämpligt för andra ändamål. Vårt dricksvatten kommer ofta från brunnar som når ner till grundvattnet. Det renas genom luftning, filtrering, mjukgöring, pH-justering och desinfektion [6,8].

Med sött vatten menar man vatten i sjöar och vattendrag, ytvatten. Detta vatten utgör endast några tusendels procent av allt vatten på jorden. Det innehåller många olika upplösta ämnen, men bara små mängder salt. Det är vatten som går att dricka. Men ytvatten är alltid förorenat av ämnen som regnvattnet fört med sig ur luften, t ex svaveldioxid och fasta partiklar. Svaveldioxiden gör regnvattnet surt. När detta sura vatten rinner genom marken kan det lösa ut metaller i jonform, t ex aluminiumjoner, manganjoner och järnjoner. Ytvattnet renas genom kemisk rening, pH-justering och desinfektion. pH-justering innebär att vatten behandlas med släckt kalk (kalciumhydroxid, Ca(OH)₂) eller natriumhydroxid (NaOH). Desinficering innebär att bakterier tas bort med vissa klorföreningar eller ozon, O₃ [6,8].

Mer än 97% av allt vatten på jorden finns i haven. Havsvatten innehåller i genomsnitt 3,5% upplösta ämnen. Det vanligaste ämnet är vanligt koksalt (NaCl), men det finns många andra ämnen som är lösta i havet, t ex guld! Om allt havsvatten avdunstade och vi spred ut ämnena som varit lösta i vattnet över hela jordytan, inklusive de torrlagda områdena, skulle vi få ett 100 meter tjockt lager! 2% av allt vatten är bundet i inlandsisar och glaciärer [8].

Bräckt vatten är en blandning av sött och salt vatten som återfinns ibland annat Östersjön.

Hårt vatten innehåller kalcium- och magnesiumföreningar. Grundvatten är ofta rikt på kolsyra (H₂CO₃). När det kolsyrehaltiga vattnet rinner genom lager av kalksten (kalciumkarbonat, CaCO₃) eller andra karbonater bildas kalciumjoner och vätekarbonatjoner. Kalciumjoner gör att vattnet blir hårt. Det finns i områden där berggrunden innehåller mycket kalksten, t ex nära Gotland.

Mjukt vatten innehåller inga eller mycket lite kalcium- och magnesiumföreningar. Regnvatten är exempel på mjukt vatten [8].

Ytspänning

En kran står och droppar. Vid kranens öppning samlas allt mer vatten och det brukar bukta ner en bra bit innan vattnet till slut lossnar och faller ner som en droppe. Det tycks som om droppen hålls ihop av en tunn, seg hinna. En likadan hinna blir det på en vattenyta som buktar. Detta kallas ytspänning [1,9]. På grund av ytspänningen kan skräddare gå på vatten.

Ytspänningen skapas av attraktionkrafter mellan molekylerna

Ytspänningen beror av att vattenmolekylerna binder varandra med elektriska krafter. Vatten består av väte- och syreatomer. Vattenmolekylens vätesida har en svagt positiv elektrisk laddning och syresidan är svagt negativt laddad men är som helhet elektriskt neutral. Molekyler som har en sådan ojämn fördelning av elektrisk laddning kallas polära. Det betyder att de har en plus- och en minuspol, molekylen är en dipol. Dessa molekyler binder till varandra med dipol-dipolbindningar. Laddningarna gör att molekylerna påverkar varandra med elektriska krafter. De gör även att molekylerna dras till varandra och håller ihop bra, binder bra.

Vätebindningen är stark

Vattenmolekyler dras till varandra pga att de har två elektriska poler med en plus- och minussida

Bild: © Sofie Wallin

Fluor, syre och kväve är de grundämnen vars atomer har störst attraktionskraft på valenselektroner. När en atom från något av dessa ämnen delar elektroner med en väteatom blir därför dipolbindningen extra stark. Detta bidrar till att molekyler som innehåller väte bundet till fluor, syre eller kväve attraherar varandra starkare än vad andra dipolmolekyler gör. Denna extra starka attraktionskraft mellan molekyler kallas vätebindning. Plussidan på en molekyl dras till minussidan på en annan och sammanhållningen i vattenytan blir speciellt stark. Det är därför vatten har så kraftig ytspänning. I vattenytan dras molekyler till varandra åt sidorna och inåt vätskan, men inte mot luften. Alla vätskor har lite ytspänning. Annars skulle molekylerna flyga iväg åt olika håll så att det blev en gas.

Vattenmolekylen är vinklad

Väteatomerna sitter inte mitt emot varandra i vattenmolekylen. De sitter förskjutna en bit upp på syreatomen så att de bildar en vinkel. Denna vinkel (beräknad till 105 grader) är hela hemligheten med vatten. Det är den som gör att vatten är polär. Om molekylen hade varit rak hade den varit opolär och vatten skulle haft helt andra egenskaper. T ex skulle vatten då koka vid -80 grader Celsius och frysa vid -100 grader Celsius! [1]

Kapillärkraft

Tack vare vattnets förmåga att hålla ihop så starkt kan vattnet "klättra" uppåt i smala rör [9]. I ett vanligt dricksglas kan man se hur vattenytan är lite uppåtböjd närmast glasets kanter. Vattnet verkar "klättra upp" en liten bit på insidan av glaset. Det beror på att vattenmolekylerna inte bara häftar ihop med varandra utan också med molekylerna i glaset. Det är denna förmåga som får vattnet att klättra uppåt. Men samtidigt vill ytspänningen hålla ihop hela vattenytan. Det gör att vattnet samtidigt dras ner från kanterna. Om vattenytan är stor, som i ett dricksglas, kan vattnet därför inte klättra så högt upp. I ett smalt glasrör är vattenytan mindre och där kan vattnet klättra högre. Sådana smala rör kallas kapillärrör och "suget" som drar upp vattnet kallas kapillärkraft.

Det fungerar inte bara i smala glasrör. Samma sak händer i jord där det finns många smala gångar. Där spelar kapillärkraften en viktig roll där den suger upp vatten genom marken till växternas rötter. Sedan är det samma kraft som suger vatten vidare upp genom de tunna rören som finns i växtens stam och blad. Det är kapillärkraften som gör att blodet rinner av sig själv upp i smala glasrör när man tar blodprover. Blod består till stor del av vatten.

Blanda inte samman den vattentransport som sker genom disktrasan med den konstruktion som kallas "sughävert". En hävert är ett U-format rör som används för att flytta vätska mellan två kärl. Efter att ha fått igång ett flöde, t ex genom att suga i ena änden av röret, kan flödet bibehållas trots att vätskan till en början måste röra sig mot gravitationen. Det gör den genom luftens tryck och den nivåskillnad som finns mellan de två ändarna av sughäverten. Disktrasan i experimententet är alltså ingen hävert!

Densitet

Etanol flyter på vatten. Det betyder att etanol är lättare än vatten, etanol har mindre täthet än vatten. Densitet mäts i enheten kilo per kubikmeter (kg m^-3) eller gram per kubikcentimeter (g cm^-3). Vatten har densiteten 1,00 g cm^-3.

Alkohol

Öl, vin och starksprit innehåller ett slags alkohol, nämligen etanol, men det finns många andra [8]. Alkoholerna är en hel grupp av ämnen som alla har namn som slutar på ändelsen -ol. Namnens första del kommer från motsvarande kolväte. Alkoholmolekylen har en kolkedja med väteatomer (kolvätekedja). På den sitter en eller flera OH-grupper, hydroxigrupper. Alkoholer liknar vatten som kan skrivas H-OH. Exempel på alkoholer är metanol: CH₃-OH (metan: CH₄), etanol: C₂H₅-OH (etan: C₂H₆) och propanol: C₃H₇-OH (propan: C₃H₇). Samtliga av dessa kolvätekedjor är korta och OH-grupperna gör att alkoholerna blir svagt polära. Det gör att de är lättlösliga i vatten. OH-gruppen är alkoholens vattenvänliga (hydrofil) del medan resten är fettvänlig (vattenskyende, hydrofob). De längre alkoholmolekylerna har så långa opolära kolvätekedjor att de är svårlösliga i vatten.

Alkoholer är ofärgade vätskor och de flesta är giftiga. Alkoholer lämnar lätt vätskeytan (avdunstar) och man kan känna deras varierande, ofta skarpa lukt. De lättare alkoholerna är lättantändliga. Den avdunstande gasen antänds innan den brinnande tändstickan nått ner till vätskeytan [1]. Några av dem, t ex metanol och etanol börjar idag få en allt viktigare roll som bränslen [8].

Metanol

Metanol kallas ofta träsprit eftersom den förr tillverkades genom torrdestillering av trä [9]. Nu för tiden tillverkas träsprit i moderna fabriker av kolmonoxid och vätgas (CO + 2 H₂ → CH₃OH). Metanol är en färglös vätska som är mycket giftig. En stor del av den metanol som tillverkas används som råvara för att tillverka plaster och svampbekämpningsmedel. Många människor har dött eller blivit blinda när de druckit metanol i tron att det var vanlig alkohol, d v s etanol.

Etanol

Etanol är den alkohol som ingår i alkoholhaltiga drycker. I starksprit är 40% av volymen etanol och i lättöl är den 1,8%. Man kan framställa alkohol ur kolväten, men vanligen sker det genom jäsning av socker (sockerbetor), stärkelse (säd, potatis) eller cellulosa (trä). Alkohol i öl och vin bildas när encelliga jästsvampar förvandlar socker till alkohol och koldioxid (C₆H₁₂O₆ (druvsocker) → 2 CO₂ (koldioxid) + 2 C₂H₅OH (etanol). Jästsvampar kan aldrig göra alkohol som är starkare än 12-13%. När den blir starkare dör de små svamparna. För att få starksprit måste man destillera den färdigjästa blandningen så att en del av vattnet skiljs bort. Då blir alkoholhalten högre. Etanol kan också tillverkas av eten och vatten men då krävs ett högt tryck samt värme (C₂H₄ (eten) + H₂O → C₂H₅OH).

Etanol är ett gift som bedövar och förgiftar olika delar av hjärnan. På lång sikt kan den också förstöra levern. Etanol är brännbar i koncentrerad form och den kan reagera med syre och bilda ättiksyra (= etansyra, CH₃CO-OH; som är en svag syra). Vin innehåller etanol och om en vinflaska lämnas öppen så att syre kan komma in, surnar vinet eftersom det bildas ättiksyra av etanolen. Inom den kemiska industrin används etanol som lösningsmedel och som råvara vid framställning av t ex plaster och färgämnen. Etanol är ett av de bränslen som kan komma att ersätta bensin och dieselolja som motorbränsle. Redan idag körs i Sverige fler och fler bussar och bilar på etanol eller etanol blandad med bensin. I Brasilien där man framställer etanol av sockerrör, kör miljontals bilar på ren etanol. I USA har man ett motorbränsle som kallas gasohol och som är en blandning av etanol och bensin.

T-sprit betyder "teknisk sprit" och den innehåller etanol och ofta även metanol och propanol samt tillsats av färgämne och kräkmedel [3]. Alkoholen blir då odrickbar, denaturerad. Färgämnet gör att T-spriten blir lätt att känna igen. Det finns tre olika sorters T-sprit; T-röd används till rengöring, som rengöringsmedel och som bränsle i spritkök, T-blå används i spolarvätska och K-sprit förhindrar att det bildas is i bensinen.

Blandning

Etanol som blandas med vatten ger en volym som är mindre än summan av delvolymerna. Volymen blir ca 5% mindre och det beror på att etanolmolekylerna bryter vattnets relativt luckra struktur. Den luckra strukturen kommer av att vätebindningarna orienterar vattenmolekylen i en hexagonal struktur. Vattenmolekylerna är inte tätpackade och etanolmolekylerna lägger sig mellan dem så att volymen utnyttjas bättre.

Karamellfärg

Karamellfärger används som namnet skvallrar om i karameller men även i livsmedel. Karamellfärg i vattenlösning går att köpa i en vanlig mataffär. Karamellfärg som fastnat på händer tas lättast bort med citronsyra eller ättika.

Citronsyra

Citronsyra (HOOC-CH₂-C(OH)(COOH)-CH₂-COOH) finns i godis, läsk, vår kropp, citroner, apelsiner och andra frukter. Citronsyra består av sex kolatomer, tre syror och en OH-grupp. Syran smaker gott i lagom mängder, speciellt i söta livsmedel. Den används som livsmedeltillsats i allt möjligt - från läsk till ost. Dessutom är den en nyttig antioxidant (ämne som förhindrar oxidation som kan leda till att fett härsknar eller att fruktprodukter missfärgas) [3].

Ättika

Ättika är utspädd ättiksyra (CH₃COOH, betecknas ofta HAc). Ättika används vanligen som konserveringsmedel eftersom ättikan hindrar bakterier och mögel från att växa.

Fördjupning

Ytspänning

Vattnets ytspänning är hög

Vatten är exempel på ett ämne med hög ytspänning. Det beror på att attraktionskrafterna mellan vattenmolekylerna är ovanligt stora. Vätebindningen mellan syret i en molekyl och väteatomen i en annan närliggande molekyl är nämligen stark.

Ytspänningen är en följd av att attraktionskrafterna i gränsskiktet är riktade inåt.

"Wasser in Tropfen und an der Phasengrenze" av Booyabazooka" (CC BY)

Ytspänningen visar sig i gränsskiktet

Attraktionskrafterna mellan molekylerna får vätskan att hålla samman. Inne i vätskan verkar attraktionskrafterna åt alla håll eftersom varje molekyl är omgiven på alla sidor av andra molekyler som den attraherar.

I gränsskiktet mellan vattnet och luften är bindningarna mycket svagare, så svaga att de oftast är försumbara. Luftens molekyler kan nämligen inte bilda de starka vätebindningarna. Dessutom är avståndet mellan luftmolekylerna stort, vilket innebär att vattnet inte kan binda till så många luftmolekyler. Bindningarna är dessutom mycket kortvariga. De existerar bara i ett mycket kort ögonblick då luftmolekylen kolliderar med vattenytan.

Det är skillnaden i energi mellan vattenmolekylerna i vätskeytan (högre energi) och molekylerna i vätskans inre (lägre energi) som är själva ytspänningen. Ytspänningen är alltså ett mått på den energi som krävs för att skapa fasgränsen mellan vätskan och gasen.

Ytspänning i en droppe.

Bild: Svante Åberg, Sofie Wallin

Ytspänning i en droppe

De röda pilarna visar krafterna som håller samman vattenmolekylerna i en droppe. Nettokraften (summan av krafterna) visas med blå pil.

I droppens inre verkar krafterna åt alla håll ungefär lika mycket. Krafterna tar därför ut varandra så att nettokraften blir nästan noll.

I vattenytan finns bara krafter som verkar i ytan och mot droppens inre. Nettokraften pekar därför mot droppens inre. Det verkar som om vattnet har en tunn hinna, ytspänning. Ytspänningen gör att droppen får en rund form.

Ytspänning i en plan vätskeyta.

Bild: Svante Åberg, Sofie Wallin

Ytspänning i en plan vätskeyta

Om vattenmängden är större flyter vattnet ut till en plan yta. Det beror på att vattnets tyngdkraft är större än ytspänningens sammanhållande krafter. Ytspänningen finns dock kvar som en tunn hinna på vattenytan. Det är den som gör att skräddare (insekter) kan springa på vattenytan utan att sjunka.

Kapillärkraft

Adhesion och kohesion

adhesion = attraktionskrafter mellan två material
kohesion = attraktionskrafter inom ett material

Attraktionskrafter mellan vätskans molekyler och kärlets väggar får vätskan att klättra uppför väggen. Attraktionskrafter mellan vätskans molekyler gör att vätskan håller ihop.

Bild: Svante Åberg

I en vattenfylld kapillär och även i ett vanligt dricksglas kan man se att vattenytan vid kanterna, nära glaset, är högre än mitten av röret/glaset. Det beror på att vattenmolekyler dras till molekylerna i glaset med elektrostatisk attraktion. Ytan av fasta material innehåller polära grupper som saknar partner att binda till. De vill gärna binda till en lämplig molekyl i närheten, t.ex. vatten. Attraktionen i gränsskiktet mellan två material kallas adhesion.

De sammanhållande krafterna inom ett material/ämne, t.ex. vatten, benämns kohesion. Eftersom kohesionskrafterna i vattnet är starka så håller vätskepelaren ihop när adhesionen drar vätskan uppför glasets kant.

I en smal kapillär stiger vätskan högre därför att vätskepelarens tyngd är mindre i förhållande till den kontaktyta som ger adhesion.

Bild: Svante Åberg

I en smal kapillär stiger vattnet högre

Om röret är väldigt smalt kan vattnet stiga högt eftersom vätskepelaren inte är lika tung. Adhesionkraften får vätskan att stiga till dess pelarens tyngd och adhesionskrafterna precis balanserar varandra. Ju större diametern är hos röret/glaset, desto mindre blir adhesionskraften i förhållande till gravitationskraften och ju kortare sträcka kan vattnet därmed stiga.

Praktiska exempel på kapillärkrafter

När du torkar diskbänken med en bit hushållspapper (eller duk), så sugs vattnet upp av papperet med kapillärkraft. Papperet är av cellulosa som innehåller många polära OH-grupper. Papperet är dessutom poröst. Kombinationen av porer och adhesion ger den uppsugande effekten.

Växterna transporterar vatten från rötterna upp genom stammen. Det sker med kapillärkraft genom de fina kanalerna i växterna. Dessa kanaler är också polära på insidan så att de attraherar vattenmolekylerna och ger en effektiv adhesion. Dessutom kan osmos i rotsystemet hjälpa till att öka vattentrycket i växten, vilket hjälper till ytterligare i vattentransporten upp genom växten.

Jord suger lätt åt sig vatten. Jorden är porös. Jordpartiklarna är mineraler, dvs. salter, som innehåller joner. Jonerna gör jorden polär, vilket ger adhesion till vattenmolekylerna som därför sugs in i de små porerna med kapillärkraft.

Kontaktvinkel

Ytspänning uppstår i fasgränser

Ytspänning är en kraft som finns mellan två faser, t.ex. luft och vatten. Dessa krafter finns även inuti vätskan men där är de jämnt fördelade och drar lika mycket åt alla håll. Ytspänningen gör att det bildas droppar eftersom det inte finns några krafter som drar utåt utan bara inåt mitten. Detta fenomen märks inte bara på vattendroppar utan även då man fyller ett glas till brädden och då kan få vattnet att faktiskt gå lite över glaskanten.

Vätningen av underlaget beror på ytspänningen.

"Droplets of fluid on a surface" av MesserWoland" (CC BY-SA 3.0)

Ytspänningen hos underlaget avgör om dropparna flyter ut

Vilken tjocklek som vattendroppen får på underlaget beror på underlagets ytspänning. Opolära material med låg ytspänning ger tjocka droppar medan polära material med hög ytspänning ger tunna droppar.

Låg ytspänning hos den underlaget gör att dropparna inte flyter ut.

"Water beading on a surface" av Wars" (CC BY-SA 3.0)

Om en yta har låg ytspänning, så som en nyligen vaxad bil, så kommer vattendroppar som landar på bilen att inte väta ytan. Vattendropparnas inre sammanhållande krafter är större än attraktionen mellan vattnet och underlaget av vax. Dropparna hålls därför samman i droppar, vilket ger minsta möjliga yta i förhållande till volymen.

Om en yta har hög ytspänning, så som papper, så kommer attraktionen mellan papperet och vattnet att vara jämförbar med vattnets inre sammanhållande krafter. Det gör att vattnet flyter ut och väter underlaget.

Kontaktvinkeln är sådan att de krafter som orsakas av ytspänningarna balanseras.

"Contact angle and interphase-energy" av Joris Gillis~commonswiki" (CC BY)

Kontaktvinkeln är ett mått på ytspänningen

Kontaktvinkeln bestäms av de energier som är inblandade när materialet (S = solid), vätskan (L = liquid) och luften (G = gas) kommer i kontakt med varandra. De tre krafter som dessa energier (material-vätska, vätska-luft, luft-material) ger upphov till kan representeras av tre vektorer som precis balanserar varandra i riktningen utmed materialets yta: 0 = Χ_SL - Χ_SG - Χ_LG cos(Θ).

Wilhelmyplatta

Wilhemyplatta

"Wilhelmy plate" av Vincent Émyde (CC BY)

Wilhelmyplattan används för att mäta ytspänningar. Principen bygger på att när plattan kommer i kontakt med vätskeytan, så väts plattan av vatten som stiger en bit uppför plattan. Vattnet stiger på grund av attraktionskrafterna mellan materialet i plattan och molekylerna i vätskan.

Plattan är upphängd i en känslig våg. Beroende på hur högt vattnet väter plattans sidor blir blir tyngden olika. Ju högre ytspänningen är, desto högre stiger vattnet och desto större kraft kan avläsas på vågen. Eftersom man väger tyngdökningen, så kallas konstruktionen för en ytspänningsvåg.

Wilhelmyplattor tillverkas av material som väts effektivt och ger liten kontaktvinkel θ. Materialet i plattan är vanligen platina i kommersiella instrument, men det går också bra med papper med goda vätegenskaper.

Vätskor med hög ytspänning stiger högt på plattan och tynger därför ned plattan mera. Vatten är ett exempel på ett ämne med särskilt hög ytspänning. Vattnets ytspänning kan sänkas effektivt med hjälp av några droppar diskmedel. Diskmedelsmolekylerna lägger sig på vattenytan och bryter attraktionskrafterna som råder mellan vattenmolekylerna. Resultatet blir att vattnet inte väter plattan lika bra och inte stiger lika högt.

Polaritet

I kemiska föreningar delas elektroner mellan atomerna som ingår i föreningen. Olika grundämnen har olika förmåga att attrahera elektronerna. Denna egenskap kallas elektronegativitet. Generellt sett har metaller låg elektronegativitet och ickemetaller hög elektronegativitet. Tittar man på ickemetallerna så är elektronegativiteten högst hos kväve (N), syre (O) och fluor (F). Lägst elektronegativitet, dvs. de mest elektropositiva grundämnena, finns i grupp 1 nedtill i periodiska systemet.

Polaritet hos molekylföreningar

Elektronegativitet förskjuter elektronmolnet i molekylen

Molekylföreningar är ämnen där ickemetaller har bundits till varandra. Bindningarna är kovalenta bindningar, så kallade elektronparbindningar. Elektronparen bildar elektronmoln som binder samman de två atomerna i bindningen. På grund av olika elektronegativitet hos de olika atomslagen, så förskjuts elektronmolnet mot det mer elektronegativa atomslaget. Om till exempel syre och väte bind till varandra, så är elektronmolnet förskjutet mot syre på grund av dess höga elektronegativitet.

I vätefluorid (HF) är fluor den mer elektronegativa atomen till höger.

CC Benjah-bmm27

Elektronerna är bara förskjutna i bindningen, men flyttar inte över helt och hållet. Men förskjutningen av elektronmolnet gör att en del av molekylen kan vara mer negativ. Eftersom den totala laddningen för en molekyl är noll, så finns motsvarande positiva laddning på den atom som har lägre elektronegativitet. Man säger att bindningen är polär.

Molekylen blir en dipol

Den polära bindningen kan göra att molekylen som helhet blir polär. En sådan molekyl kallas för dipol. Exempelvis är vätefluorid en dipol där fluoret har ett negativt laddningsöverskott (rött) och vätet ett positivt (blått).

Vatten är ett starkt polärt ämne på grund av syrets höga elektronegativitet.

CC

Ett annat exempel är vattenmolekylen där syret har ett negativt laddningsöverskott och vätena ett positivt. Här är det två bindningar till syret, en till vardera väteatomen. Den negativa laddningen på syret är därför summan av de positiva laddningarna på vätena. På grund av att den är vinklad är vattenmolekylen en dipol med den negativa änden vid syret och den positiva mitt emellan väteatomerna.

I koldioxid (CO2, O=C=O)är båda bindningarna mellan kolet i mitten och syret i änden polära, men motsatt riktade. Molekylen som helhet blir därför opolär.

CC

Symmetri kan släcka ut polariteten hos bindningarna

Koldioxid innehåller bindningar mellan kol och syre. Syreatomerna i var sin ända är mer elektronegativa än kolatomen i mitten. Bindningarna är alltså polära.

Koldioxid är en rak molekyl, till skillnad från vattenmolekylen. Dessutom är den polära bindningen mellan kol och syre i den ena änden motriktad motsvarande bindning i den andra änden. De motsatt riktade bindningarna släcker ut varandras polaritet, så att molekylen som helhet blir opolär, trots att de ingående bindningarna är polära.

Detta är exempel på att man måste känna till den tredimensionella strukturen hos en molekyl för att veta om den faktiskt är polär.

I kvävgas (N2) är båda atomerna lika elektronegativa. Bindningen mellan atomerna är därför opolär.

CC

En bindning mellan samma atomslag är opolär

Mellan olika atomslag finns det alltid en viss skillnad i elektronegativitet. Skillnaden kan vara stor eller liten, men inga atomslag av två olika grundämnen har exakt samma egenskaper. Däremot är två atomer av samma atomslag exakt likadana. Det betyder också att bindningen mellan dem är helt opolär. Exempel på sådan molekyl är kvävgas.

Förening mellan metall och ickemetall

I en kristall natriumklorid är den positiva Na+-jonen (lila) omgiven av negativa Cl–-joner (grön) och vice versa.

CC Benjah-bmm27

Joner är alltid polära

I föreningar mellan metall och ickemetall är skillnaden i elektronegativitet så stor att en eller flera elektroner hoppat över helt och hållet från metallen till ickemetallen. Kvar blir då positiva metalljoner och negativa ickemetalljoner. Polär betyder ”laddad”. Det innebär att joner, som ju alltid har en laddning, alltid är polära.

Ett typiskt exempel på en jonförening är natriumklorid, dvs. vanligt koksalt. Saltkristallerna är uppbyggda av tätt sammanpackade positiva natriumjoner och negativa kloridjoner. Varannan jon är positiv och varannan negativ för att plus- och minusladdningar ska komma så nära varandra som möjligt. Positiv och negativa laddningar attraherar nämligen varandra.

Några föreningar mellan metall och ickemetall är gränsfall

Några metaller är inte så elektropositiva, dvs. deras elektronegativitet är inte så låg. De finns i periodiska systemen i gränsområdet mellan metaller och ickemetaller. Halvmetallerna är sådana, men även några som betecknas som metaller är ändå inte så elektropositiva.

Ett sådant exempel är silver (Ag). När silver och klorid reagerar till silverklorid (AgCl), så är skillnaden i elektronegativitet för liten för att det ska bildas joner. Men bindningen är ändå starkt polär. Därför är bindningen i silverklorid polär kovalent. Silverklorid är visserligen ett polärt ämne, men inte så starkt polärt. Lösligheten i vatten är därför dålig.

Vätebindning

Vätebindningar finns i vatten och i många organiska ämnen i kroppen. Vätebindningar ger ämnena polära egenskaper, såsom löslighet i vatten. Vätebindningarna är också viktiga för strukturen hos till exempel DNA.

I strukturformler brukar vätebindningen markeras med streckad linje.

Bindningskrafter inom och mellan molekyler

Kemiska ämnen hålls samman av starka bindningar såsom kovalenta bindningar i molekylföreningar och jonbindningar i salter. Bindningar inom föreningen är intramolekylära krafter.

Men det finns också bindningar mellan föreningarna, intermolekylära krafter.

intramolekylär = inom molekylen
intermolekylär = mellan molekyler

Intermolekylära krafter är svagare än de intramolekylära.

Vätebindning kan ske när vätet sitter på N, O eller F

Den så kallade vätebindningen hör dock till de starkare intermolekylära krafterna. Den kan beskrivas som en extra stark dipol-dipolbindning.

Vätebindning kan uppstå mellan ett väte som sitter på atomslaget N, O eller F i en molekyl och atomslaget N, O eller F i en annan molekyl.

Här är några exempel på kemiska föreningar som kan bilda vätebindningar:

Vatten: H₂O kan vätebinda. Däremot kan inte analogen vätesulfid H₂S vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ.
Vätefluorid: HF kan vätebinda. Däremot kan inte analogen vätebromid HBr vätebinda eftersom brom inte är tillräckligt elektronegativ.
Ammoniak: NH₃ kan vätebinda.
Karboxylsyror: exempelvis ättiksyra, CH₃COOH kan vätebinda.
Alkoholer: exempelvis etanol, CH₃CH₂OH kan vätebinda. Däremot kan inte analogen etantiol CH₃CH₂SH vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ. Isomeren CH₃-O-CH₃ till etanol har samma summaformel, men föreningen är en eter och sådana har inget väte som sitter direkt på syreatomen. Därför kan etrar inte vätebinda.
Aminer: exempelvis ettylamin, CH₃CH₂NH₂ kan vätebinda. Undantag är tertiära aminer som trimetylamin N(CH₃)₃ eftersom det inte sitter någon väteatom direkt på kvävet. Analogen etanitiol, CH₃CH₂SH, kan inte heller vätebinda eftersom svavel inte är tillräckligt elektronegativ.

Etanol

Framställning

Etanolen (etylalkohol, förenklat skrivsätt EtOH) har uråldriga anor som berusningsmedel och den framställdes genom jäsning av kolhydrater från växtriket. Den kemiska reaktionen som sker är:

C6H12O6	→	C2H5OH	+	CO2
socker		etanol		koldioxid

Dessutom behövs en katalysator i form av jäst. Det är ett enzym hos jästsvampen som omvandlar kolhydraterna till etanol. Jästsvampen kan bara överleva i en alkoholhalt på ca 13 %, därefter dör den och jäsprocessen upphör. För att få högre alkoholhalt krävs att man destillerar alkoholen.

Detta var innan den petrokemiska industrin fanns. Idag framställs etanol för industriellt bruk genom hydrering av eten (kallas ibland etylen). Den kemiska reaktionen äger rum med hjälp av en katalysator och är:

H2C=CH2	+	H2O	→	C2H5OH
eten		vatten		etanol

Egenskaper

Kokpunkten för etanol är 78 ^⚬C och fryspunkten -114 ^⚬C. Den låga fryspunkten gör etanolen lämplig att använda i termometrar. För bättre synlighet färgas den vanligen röd eller blå. Förr användes kvicksilvertermometrar, men de förbjöds av av miljöskäl.

Etanol är lättantändlig och brinner med en blå låga om syretillförseln är god. Flampunkten för ren etanol är 16,6 ^⚬C. Det innebär att vid temperaturer över 16,6 ^⚬C bildas det tillräckligt med etanolångor ovanför vätskan för att de ska vara antändbara, förutsatt att ångorna inte ventileras bort. Under denna temperatur kan ångorna inte antändas eftersom koncentrationen av etanolångor är för låg.

I vatten-etanolblandningar är volymen mindre än samma mängd vatten och etanol separat. Det beror på att vatten har ett inslag av struktur även i flytande form som beror på vattenmolekylens vinkel och hur vattenmolekylerna binder till varandra med vätebindningar. Strukturen är då hexagonal, på motsvarande sätt som i snökristaller. Denna struktur är lucker. När etanol blandas med vatten fyller etanolmolekylerna delvis ut det tomrum som finns i vattnet och därför är blandningen mer kompakt än vattnet är enskilt.

Etanol som lösningsmedel

Etanol är vattenlöslig i alla blandningsförhållanden. Den vattenlösliga delen är OH-gruppen som bildar vätebindning till vatten. Den icke vattenlösliga kolvätekedjan med två kolatomer är för kort för att påverka lösligheten i vatten.

Som lösningsmedel kan man dock se skillnad på etanol och metanol. Den något längre kolvätekedjan i etanol med 2 kolatomer i jämförelse med metanolens enda kolatom gör etanolen till ett sämre lösningsmedel för salter. Å andra sidan är etanol bättre lösningsmedel än metanol för feta ämnen, vilket man märker vid fläckborttagning.

Etanol används som lösningsmedel i många sammanhang. Ett exempel är munskölj. Den finns i vattenbaserade färger, rengöringsmedel, i läkemedel, lacker och bläck.

Berusningsmedel

Etanolen, eller "alkoholen", har använts som berusningsmedel sedan mycket länge tillbaka. Etanol bildas naturligt i jäsningsprocesser, t.ex. då frukt blir gammal. Man kunde därför oavsiktligt bli berusad av fermenterad mat. Det är välkänt att alkoholen försämrar omdömet och reaktionsförmågan, men den kan även vara avslappnande.

Benämningen "alkohol" är egentligen ett begrepp som täcker in alla kolväten som har en eller flera OH-grupper. Exempelvis är också träsprit (metanol) en alkohol. Men i dagligt tal brukar man mena etanol när man talar om alkohol.

Medicinska effekter

I kroppen oxideras etanolen till acetaldehyd. Det är ett skadligt ämne som orsakar illamående, så kallad "bakfylla". Acetaldehyden oxideras sedan vidare till etansyra (dvs. ättiksyra) med hjälp av ett enzym.

Etanolen är beroendeframkallande. Långvarigt bruk leder till många allvarliga medicinska tillstånd. Bland de mer kända är skrumplever som innebär att levervävnaden bryts ned och omvandlas till bindväv. Allt större delar av levern dör, blir hård och skrumpnar sedan. En annan känd effekt av långvarigt bruk är hallucinationer och psykiska problem såsom delirium tremens. Ytterligare medicinska problem som förekommer är bland annat högt blodtryck, depression, impotens och strupcancer.

Etanol som fordonsbränsle

Etanolen har samma brandklass som bensinen. En nackdel är att etanol inte förångas lika lätt som bensin i låga temperaturer, och det gör den svår att använda på breddgrader med mycket kallt klimat. Etanol används dock som fordonsbränsle med benämningen E85. Den innehåller 85 % etanol och 15 % bensin sommartid. Vintertid då etanolens begränsade flyktighet kan vara ett problem är proportionerna 75 % etanol och 25 % bensin.

Eftersom etanolen har ett lägre energiinnehåll vid förbränning än bensin är också etanolbilarna törstigare. En fördel med etanol är dock att den kan framställas ur biomassa. Om det kan ske utan att produktionen i övrigt förbrukar stora mängder fossila bränslen, t.ex. för traktorer och transporter inom jordbruket, så kan nettoutsläppet av koldioxid minskas genom att använda etanol som bränsle. De stora koldioxidutsläppen är ju ett allvarligt problem som orsakar global uppvärmning med ekonomiska påfrestningar och social oro när människors levebröd försvinner.

Etanol som industriråvara

Etanol används främst vid framställning av etanal och som lösningsmedel.

Den tekniskt framställda etanolen görs odrickbar genom denaturering. Rödsprit, ofta kallad T-röd, består vanligtvis till 95% av etanol och 5% av denatureringsmedel, som gör alkoholen odrickbar. Exempel på denatureringsmedel är isopropanol, etylacetat, metyletylketon, metylisobutyl-keton, dietylftalat, butylacetat, butanol, Bitrex®, toluen. Dessutom ingår färgämnen.

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

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 (m_luft; 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. Avläs vikten när föremålet är helt nedsänkt i vatten (m_vatten; 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 = [m_luft – m_vatten] (enhet ml)

Beräkna densiteten hos vätskan

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

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