Fryspunktsnedsättning

Kemisk bakgrund

Kemikalier

Vatten

Vatten består av två väte och ett syre, vilket gör att vattenmolekylen är polär Det innebär att den har en laddningsförskjutning med en positiv (vätena) och en negativ (syret) sida. Vatten fryser vid 0 °C.

Koksalt

Kemiska beteckningen för vanligt bordssalt (koksalt, natriumklorid) är NaCl (s). När saltet är löst i vatten förekommer det i jonform d.v.s. Na⁺ och Cl^-.

H₂O (s) + NaCl (s) → värme + H₂O (l) + Na⁺ + Cl^-

Etylenglykol

På vintern då det är kallt kan kylarvattnet frysa i bilen. Det som då händer är att kylarvattnet expanderar då det blir is och ledningar fryser sönder. För att minska risken att kylarvattnet i bilmotorn fryser på vintern tillsätter man etylenglykol (vardagsbenämning "glykol", formel HO-CH₂-CH₂-OH). Ämnet löser sig lätt i vatten eftersom det kan vätebinda. Tillsatsen av etylenglykol innebär att fryspunkten för kylarvattnet sjunker. Ju mer etylenglykol man blandar i vattnet desto mer sänker man kylarvattnets fryspunkt. Om det ändå blir så kallt att det fryser bildas i stället en trögflytande sörja av iskristaller i glykol-vattenlösning (ett tvåfassystem). Sörjan bildar inga proppar i ledningen och ger därför ingen sprängkraft.

Glycerol

Insekter som lever i de arktiska zonerna producerar stora mängder glycerol (CH₂OH-CHOH-CH₂OH), som är ett ämne som liknar etylenglykol. Detta gäller bland annat vår vanliga husfluga. Effekten är att fryspunkten för blodet sjunker och insekten kan överleva vid mycket låga temperaturer.

Issmältning med vägsalt

Om salt sprids på is som täcker gator och trottoarer så smälter denna relativt lätt. De sker under förutsättning att temperaturen utomhus inte är allt för låg. Denna metod att tina is grundar sig på ett välkänt fenomen inom termodynamiken nämligen fryspunktsnedsättningen. Det som händer när man saltar vägarna är att saltet får isen som ligger på vägarna att smälta genom att saltet sänker isens smältpunkt.

Normalt smälter snö och is vid 0°C. Med hjälp av lite salt så går det att smälta snö på vägbanan när det är ända ned till minus 12°C beroende på hur intensiv trafiken är. Saltet "lurar" vintern och vi kan åstadkomma en snö- och isfri väg även vid minusgrader. Vägsalt som används vintertid innehåller minst 98 % ren natriumklorid (NaCl). De resterande två procenten är till största delen fukt och gips, (kalciumsulfat, CaSO₄·H₂O). Andra salter kan också användas för issmältning.

Fryspunktsnedsättningen

Fryspunkten är ett exempel på en kolligativ egenskap. Det betyder att det inte har betydelse vilken kemikalie det är frågan om, utan den avgörande faktorn i detta fall är koncentrationen av det lösta ämnet.

Fryspunkten för lösningen är lägre än för det rena ämnet. För att räkna på detta kan följande samband användas: ΔTf = Kf · m

ΔTf är fryspunktsnedsättningen för lösningen
Kf är fryspunktsnedsättnings konstant och är specifik för lösningsmedlet.
m är molaliteten av det lösta ämnet, dvs koncentrationen angiven som mol/kg.

För att använda denna formel måste följande antaganden vara uppfyllda:
1. lösningen är ideal
2. lösningen är utspädd
3. att det inte sker någon dissociation eller association av de upplösta ämnets molekyler.

Korrosion

Ett problem som kan uppstå när man saltar vägarna är att bilarna rostar lättare. För att metallen på bilen ska rosta måste en oxidation och en reduktion ske. Vid reduktionen regerar syrgas och vatten till hydroxidjoner under upptagande av elektroner. Vid oxidationen löses metallen samtidigt som det frigörs elektroner. De bildade metalljonerna måste transporteras för att ge en sluten strömkrets. Saltet förbättrar ledningsförmågan och bidrar till att hålla kvar fukt på metallen vilket gör att korrosionen underlättas. Metallen rostar också snabbare om det är varmt, så man kan därför säga att reaktionen är temperaturberoende.

Koksaltet som finns på vägarna består av kloridjoner, som bildar komplex med utlösta metaller, vilket gör att rostbildning sker snabbare. För att förhindra att bilen rostar kan man lacka metallen eller måla den med tät färg och för att skydda underredet så kan man lägga på en tät och seg massa.

Snö

Snö är nederbörd i fast form som består av många iskristaller och har olika former, t.ex. prismor eller stjärnor. Snöflingorna ser olika ut beroende på vilken temperatur och vilken luftfuktighet det är. Då temperaturen är kring 0 °C är snöflingorna stora och kallas för "lapphandskar". Det sägs att det inte finns två snöflingor som ser likadana ut. Några olika former som snöflingor eller iskristaller kan ha är t.ex. dendriter som också kallas trädlik form. Denna form är sexkantig d.v.s. har sex huvudflikar och på varje huvudflik så finns många små flikar. Flingorna är platta och kan ha en diameter på 5 mm eller mer. Det finns också kristaller som kan växa långa och smala som liknar nålar.

Is

Is består av frusna vattenmolekyler som bildar en hexagonal struktur. Varje vattenmolekyl är bunden till fyra andra vattenmolekyler med vätebindning. Is har därför en öppen och luftig struktur som gör att dess densitet är låg, 0,917 g/cm³. Vatten har en densitet på 1,000 g/cm³, vilket är tyngre än is. Sjöar bottenfryser inte eftersom isen har lägre densitet än vatten och lägger sig ovanpå vattnet.

Eftersom vattenmolekylerna är bundna med vätebindning, som är en stark bindning, så får is en hög smältpunkt d.v.s. vid 0 °C. Hade det varit en annan bindning än vätebindning mellan molekylerna så hade smältpunkten varit ca -100 °C.

Fördjupning

Natriumklorid

Natriumklorid är en kemisk förening av natrium och klor med formeln NaCl. I dagligt tal säger via bara "salt" eller "koksalt" när vi talar om natriumklorid, men det är bara ett av många olika salter som existerar. Koksalt är ett lättlösligt salt. Det används i matlagningen för smaksättning, men det fungerar också som konserveringsmedel. Bakterier kan nämligen inte växa om salthalten blir för hög.

Det finns olika kvalitéer av natriumklorid.

1. Råsalt - Om man samlar vattnet från t ex hav eller sjö i stora bassänger (s.k. saliner) och låter vattnet avdunsta kan man ta vara på det salt som naturligt finns i vattnet. I riktigt varma länder kan salt också utvinnas när naturliga saltöknar bildas. Bergssalt etc utvinns från berggrunden i speciella saltgruvor. Råsalt är ett orenat salt med stora korn, som man vanligen ser i form av ett grovsalt och det kan ha olika färgtoning.
2. Natriumklorid - Den rena formen tillverkas genom att naturligt råsalt löses i vatten, kokas och omkristalliseras. Det kan också tillverkas kemiskt när klor får reagera med natrium, reaktionen är mycket häftig och utvecklar både starkt gulaktigt sken och intensiv värme. Saltet som bildas är ett fint, vitt kristalliniskt pulver eller färglösa, vitaktiga kristaller.
3. Hushållssalt - Råsaltet renas, natriumklorid/renat råsalt ges tillsatser. Dagens hushållssalt känner vi igen som vitt, finkornigt och lättrinnande.

Förekomst

Både natrium och klor är mycket reaktiva ämnen och förekommer därför inte som rena ämnen i naturen. Eftersom natriumjonerna och kloridjonerna har motsatt elektrisk laddning attraheras de kraftigt till varandra och bildar då koksalt.

Natriumklorid finns i stora mängder i haven. Ursprungligen kommer saltet från berg som vittrat och lakats ur av vatten. Vattnet har runnit ned till havet där saltet blivit kvar. Havsvattnet avdunstar och bildar moln som sedan fäller sitt vatten över land. Vattnet ingår därför i ett kretslopp. Men koksaltet kan inte avdunsta. Därför stannar saltet kvar i haven.

Det händer att hav torkar in. Ett aktuellt exempel är Aralsjön i Centralasien. Ett annat exempel som inträffade för ungefär 6 miljoner år sedan var när Medelhavet blev torrlagt därför att det tappade kontakten med Atlanten. Vattnet avdunstande och det bildades en saltskorpa som på sina ställen var flera hundra meter tjock. Saltavlagringarna begravdes sedan så att de nu är gömda i underjorden. Sådana geologiska händelser kan föra bort natriumklorid från havsvattnet, och det har hänt många gånger i jordens historia.

Utvinning av salt sker dels genom brytning i gruvor där man har saltavlagringar, dels genom att låta havsvatten avdunsta och samla ihop saltet som blir kvar. Saltet är inte rent koksalt, för det finns även mindre mängder av bland annat magnesiumklorid i havsvattnet. Salthalten i de stora världshaven ligger kring 2,5 – 3,5 %. Av detta salt utgör natriumkloriden cirka 78 %.

Användning

NaCl har i alla tider varit av mycket stor kommersiell betydelse och är nu en av de allra viktigaste industriråvarorna. Den är råvara för praktiskt taget alla natrium- och klorföreningar och förbrukas dessutom i stora mängder som krydda och konserveringsmedel för olika matvaror.

Koksaltet blev tidigt en av världens viktigaste handelsvaror. Under medeltiden bröts stora mängder salt i gruvor i Tyskland och Österrike. Saltet forslades sedan norrut via den så kallade Saltvägen, Via Salaria. När Indien frigjorde sig från Storbritannien demonstrerade man symboliskt mot den Brittiska överhögheten med att genomföra en marsch som protest mot saltskatten.

Koksalt används som issmältningssalt (vägsalt) på våra vägar vintertid. Saltet sänker smältpunkten för is, vilket gör att om temperaturen bara ligger på enstaka minusgrader så kan isen töa bort. Problematiskt är att saltet skadar grundvatten och växtlighet och att det orsakar kraftig rostbildning på fordon och släp som inte har ett fullgott rostskydd.

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

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.