Självantändning med glycerol och permanganat

Kemisk bakgrund

Kemikalierna i försöket

Kaliumpermanganat (KMnO₄) är ett starkt oxidationsmedel. Det bildar mörkvioletta kristaller som sönderfaller under syrgasutveckling vid temperaturer över 200 °C och som ger starkt violetta vattenlösningar. Permanganatet framställs tekniskt i en tvåstegsprocess genom reaktion mellan kaliumhydroxid, brunsten (mangan(IV)oxid) och syre, varvid grönt manganat(VI) bildas. Detta oxideras sedan elektrokemiskt till permanganat. Världsproduktionen är ca 30 000 ton/år med USA, Västeuropa och Japan som viktigaste producenter. Det används som oxidationsmedel i organisk-kemisk industri t ex i fyverkerier. Det används också för att avlägsna missfärgning i akvarier, för rening av dricksvatten och avloppsvatten, för kemisk analys (permanganattitrering) och som färgämne på grund av sin kraftiga lila färg.

Man köper lättast KMnO₄ på en Zooaffär.

Risk/skyddstext

Kaliumpermanganat Formel: KMnO4 Molekylvikt: 158,03

R08 - Kontakt med brännbart material kan orsaka brand
R22 - Farligt vid förtäring
R50 - Mycket giftigt för vattenorganismer
R53 - Kan orsaka skadliga långtidseffekter i vattenmiljö
S2 - Förvars oåtkomligt för barn
S60 - Detta material och dess behållare skall tas om hand som farligt avfall
S61 - Undvik utsläpp till miljön. Läs särskilda instruktioner/varuinformationsblad (VIB)
Xn - Hälsoskadlig
N - Miljöfarlig
O - Oxiderande

Glycerol (CH₂OH-CHOH-CH₂OH) är en av de få alkoholer som inte är giftiga. Den är en färglös och ganska tjockflytande vätska med sötaktig smak. Den används i tvålar, hudkrämer och vid tillverkning av dynamit. Det är också en viktig beståndsdel i fett.

Stora invärtes doser ger huvudvärk och illamående, eller mer sällan diarré, törst, förvirring, hjärtarytmi, lungödem. Hjärtsvaga och njursjuka bör ta det extra varligt med glycerin eftersom det påverkar vätskebalansen och kan orsaka uttorkning. Detta är farligt också för diabetiker, som också är känsliga för stigande blodsockerhalt.

Glycerol är en trevärd alkohol med det kemiska namnet 1,2,3-propantriol. (Synonymer: glycerol, glycerylalkohol, propantriol, oljesött, Scheeles sött. Farmakopénamn: Glycerinum, Glycerolum. E-nummer E 422). Man köper det enklast på konstnärsaffär, färghandel eller apotek. [2]

Reaktionsformel

Själva vattnet används för att få bättre kontakt mellan de två huvudbeståndsdelarna. Gammal glycerol kan vara ineffektiv p g a att det absorberat för mycket vatten. För att få bort vattnet kan man koka glycerolen. [1]

När kaliumpermanganat och glycerol reagerar sker följande reaktion [10]:
14 KMnO₄(s) + 4 C₃H₅(OH)₃(l) →
7 K₂CO₃(s) + 7 Mn₂O₃(s) + 5 CO₂(g) + 16 H₂O(g) + värme

Lite historik om kemikalierna och de grundämnen som ingår

Glycerol

Glycerol Upptäcktes 1783 i olivolja av Scheele, som kallade det "oljesött". Glycerin är det gamla inarbetade namnet. [2]

Kalium

Pottaska (kaliumkarbonat) och soda (natriumkarbonat) användes redan under antiken till tvätt. Man kunde inte skilja på de två salterna, som gemensamt kallades neter på hebreiska, ni´tron på grekiska och ni´trum på latin, varifrån de arabiska alkemisternas namn natron kommer. Nitrum kom så småningom att beteckna kaliumnitrat. När man under 1700-talet började skilja på natrium- och kaliumföreningar kallades basen till de förra alcali minerale eller natron och basen till de senare alcali vegetabile eller kali. Humphry Davy isolerade 1807 grundämnena kalium och natrium genom elektrolys av svagt fuktat kali och natron. [4]

Mangan

Namnet magnesia nigra nämns av Plinius omkring 50 e.Kr. Torbern Bergman och Scheele insåg att brunsten innehöll en dittills okänd metall. J.G. Gahn framställde 1774 denna genom reduktion av brunsten med kol. Han kallade den magnesium, men A.G. Ekeberg och Pehr Afzelius föreslog 1795 namnet manganés, vilket av Berzelius senare ändrades till mangan. I stålindustrin började mangan användas i början av 1800-talet. Ferromangan och spegeljärn har sedan mitten av 1800-talet framställts i industriell skala. Elektriska ugnar för framställning av mangan konstruerades på 1890-talet, och 1898 började mangan framställas genom aluminotermisk reduktion. [5]

Syre

Möjligen kände kineserna redan på 700-talet e.Kr. till att luft har två beståndsdelar, och de kan även ha framställt syre genom upphettning av salpeter (kaliumnitrat). I Europa observerade Leonardo da Vinci omkring 1500 att luft underhåller andning och förbränning men inte helt konsumeras av dessa processer. Syrets upptäckt brukar dateras till de första åren av 1770-talet, då Scheele i Uppsala och Priestley i Leeds oberoende av varandra framställde och beskrev gasen. [6]

Se upp med självantändning av linolja

En känd företeelese är självantändning av linolja. Om man använder linolja med trassel så ska man elda upp det efteråt eftersom det likt detta experimentet kan självantända. Ett annat misstag man kan göra är att bestryka ett glest brädgolv med linolja. Om linoljan tränger ned i sågspånen under golvet så kan förutsättningarna för självantändning vara uppfyllda.

Självantändning underlättas av att reaktionsvärmen inte leds bort, utan stängs inne av det värmeisolerande trasslet. Värmeutvecklingen när linoljan oxideras av luftsyret leder en skenande reaktion där temperaturen till slut blir så hög att trasslet antänds. Om trasslet har effektiv kylning, t.ex. genom att ligga väl utspritt, så minskar risken för självantändning.

Ett effektivt sätt att undvika självantändning av linoljetrassel är att lägga det i vatten. Vattnet både kyler och hindrar syret att komma åt trasslet. Men tänk på att vatten så småningom försvinner genom avdunstning, så trasslet och vattnet måste läggas i en stängd burk. [8]

Självantändning i komposter

Självantändning kan också ske i komposter. Det sker då med hjälp av mikroorganismer. För att det ska kunna ske krävs en lämplig blandning av kol, kväve, fosfor och vatten. En annan förutsättning är att materialet är ordenligt sönderdelat eftersom då ökar angreppsytorna för mikroorganismerna. När komposteringen startar förbrukas först den mest lättillgängliga energin och temperaturen ökar, vilket i sin tur gör att energiomvandligen går ännu snabbare och temperturen stiger ännu mer. Efter en vecka kan temperaturen överstiga 65 °C.

Om inte den värmen leds bort kan detta leda till att komposthögen självantänder. Vid temperaturer över 70-80 °C dör svampar och bakterier, men kemisk oxidation av kompostmaterialet gör att temperaturen ska stiga ytterligare så mycket att materialet självantänds. [8]

När den mest lättillgängliga energin är förbrukad sjunker temperaturen något och nedbrytningen går långsammare. Efter tre till sex månader är komposten färdig. [7]

Mänsklig självförbränning

Myten

En annan helt annan typ av självantändning är mänsklig självantändning eller djävulselden som den också kallas. Det finns ett antal kända fall då människor tagit eld och förkolnats till synes helt utan yttre orsaker. Omgivningen är oftast nästan helt opåverkad fastän kroppen bara är en askhög. Kläder som personen burit är bara svedda.

Ögonvittnen som sett djävulselden säger att det bara tagit minuter och att det verkat som elden kommit inifrån kroppen. Det finns ingen bra förklaring på mänsklig självantändning och de fall som skett är ofta dåligt dokumenterade. De olika teorier som forskarna pratar om är allt från "gudomlig bestraffning" till statisk elektricitet och en slags kroppslig kärnreaktion.

Den vetenskapliga prövningen

En närmare granskning genomfördes 1984 av den vetenskapliga utredaren Joe Nickell och kriminalanalytikern John F. Fischer av påstådda fall av självförbränning under 1700-, 1800- och 1900-talen. Det framgick då att när mänsklig förbränning hade skett så hade det också funnits möjliga källor för antändning, såsom stearinljus, lampor, öppen spis och liknande i närheten. Det fanns en tendens att förtiga sådana fakta och i stället betona det mystiska i berättelserna. Man kunde också se ett statistiskt samband med de självförbrändas alkoholförtäring, som kan förklara ovarsamhet med elden.

För att kroppen ska omvandlas till aska krävs mycket hög temperatur eftersom den innehåller så mycket vatten. Exempelvis när man bränner kroppen i ett krematorium så använder man temperaturer över 1400 °C under tre timmar.

Fördjupning

Brand

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

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

Förutsättningar för brand illustreras av brandtriangeln

Brandtriangeln anger vad som krävs för brand.

"Fire triangle" av Gustavb" CC BY-SA 3.0

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

Det som behövs är: bränsle, syre, värme.

Bränsle

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

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

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

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

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

Syre

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

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

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

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

Värme

En låga kräver att bränslet är i gasform.

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

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

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

Kedjereaktion

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

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