Mentos-pastiller i kolsyrad läsk

Kemisk bakgrund

Gasbildning i läsken

I läsken är det mesta av koldioxiden är löst i vattnet genom attraktionen till vattenmolekylerna. Det krävs relativt högt ångtryck, cirka dubbla atmosfärstrycket, för att en mikroskopisk gasbubbla ska kunna bildas. Ytspänningen är nämligen mycket stor när bubblan är liten genom att krökningsradien på bubblan är så liten. Man måste tillföra energi, vilket sker när du till exempel tappar en flaska. Chockvågorna i vätskan skapar små bubblor som sedan kan växa av egen kraft när de väl bildats. I en lite större bubbla är ytspänningen bara något större än vad som motsvaras av atmosfärstrycket.

Om det enbart är ytspänningen som hindrar koldioxidbubblorna från att bilda och växa, så borde en tillsats av lite diskmedel i läsken få den att brusa kraftigt. Diskmedlet sänker nämligen ytspänningen hos vatten kraftigt. Prova själv om det är så!

Ett annat sätt att få bubblor att bildas är att katalysera bildningen av dem, vilket kan ske om bubblan bildas på en lämplig yta. Mentostabletterna ger koldioxidmolekylerna platser att mötas på och där de kan koppla ihop sig till stora bubblor. Man tror att Mentos-pastillernas yta är fylld av små gropar där koldioxid kan samlas, växa till sig och med kraft stiga upp till ytan.

Katalys - en genväg till reaktion

För att förstå katalys måste man titta på den inneboende energi hos de reagerande ämnena (reaktanterna) i förhållande till den inneboende energin hos det aktiverade komplexet. Aktiverat komplex är den energirika mellanform som molekylerna har i omvandlingsögonblicket mellan att vara reaktant och reaktionsprodukt. Det aktiverade komplexet har alltid högre energi än reaktanterna och det gäller för molekylerna att nå upp till denna energi. Det kan de göra genom hög rörelseenergi så att kollisionen mellan de reagerande molekylerna blir kraftig.

Genom temperaturrörelsen har alla molekyler kinetisk energi (rörelseenergi). Medelenergin beror på temperaturen. Några molekyler har större (och andra mindre) energi än medelenergin. De som har mer energi kan kollidera och reagera utan hjälp av katalysator eller höjd temperatur. Dessa molekyler är mycket få i förhållande till alla molekyler i lösningen. Reaktionen går långsamt.

En katalysator öppnar upp en ny reaktionsväg där det krävs lägre energi för att reaktionen ska komma igång. Fler molekyler har då tillräcklig energi att reagera trots att temperaturen inte har ökat. Hastigheten på reaktionen ökar.

Aktiveringsenergi med och utan enzym
Bild: © Wikipedia

Ett vanligt exempel på katalysatorn är den som i dag sitter i stort sett alla bilar. Vid katalys bildar ämnet eller ämnena kemiska bindningar med katalystorn. Vanligast är bindningar till en eller flera metallatomer i katalysatorn. De kommer då närmare varandra, påverkas och reagerar. De nya molekylerna som bildas fäster inte på katalysatorn utan försvinner ut med till exempel avgaserna. Katalysatorn i bilar är gjorda av metallerna platina, palladium och rodium och de sitter fast på ett keramiskt underlag som liknar bikakor. Detta för att ytan och platsen för reaktionerna ska bli så stor som möjligt. De ämnen som man vill ha bort i bilens avgaser är främst koloxid (kolmonoxid, CO) som blir koldioxid (CO2) och vattenånga samt nitrösa gaser (samlingsnamn NOx) som omvandlas till kvävgas (N2).

Fördjupning

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.

Koldioxid

Egenskaper

Koldioxid är en luktlös gas, men vid höga koncentrationer kan man få en sur smak i munnen som beror på att gasen löser sig i saliven och bildar kolsyra. Inandning av koldioxid i onormalt höga halter kan leda till huvudvärk, illamående och kräkningar. Är halten tillräckligt hög kan inandning leda till medvetslöshet och till och med döden.

Koldioxiden är med sin molmassa 44 g/mol tyngre än syrgas (32 g/mol) och kvävgas (28 g/mol). Därför sjunker koldioxiden ner mot marken om den släpps ut. Med tiden diffunderar koldioxiden och blandar sig med luften till dess halten är lika överallt, men det tar ett tag.

Koldioxid underhåller inte förbränning. Den kväver därför eld. Så kallade kolsyresläckare innehåller koldioxid under högt tryck. De fungerar genom att koldioxiden tränger undan luftens syre så att elden slocknar.

Kolsyresnö och torris är koldioxidid fast form

Kolsyresnö och torris är en benämning på frusen koldioxid. Torris är kolsyresnö som har komprimerats så att den blivit kompakt.

En bit torris ångar och ryker i rumstemperatur när koldioxiden sublimerar, dvs. övergår direkt från fast till gasform. Kylan gör att luftens fuktighet kondenserar så att synlig dimma bildas.

Man kan lägga ner bitar av torris i bål (som man dricker) för att få en festligt effekt. Torrisen kolsyresätter samtidigt drycken. Var bara försiktig att så att du inte sätter en bit torris i halsen. Den är nämligen mycket kall, - 78,5 °C. Tag aldrig i torris med händerna!

Ett recept för att tillverka dimma är att släppa ned torris i varmt vatten. Vattnet får torrisen att sublimera till gas snabbare, men bildas dimma av vattendroppar.

Kolsyresnö bildas också när man använder en kolsyresläckare. Brandsläckaren innehåller komprimerad koldioxid under högt tryck. När man släpper ut gasen sjunker temperaturen hastigt och så mycket att koldioxiden fryser till kolsyresnö vid –78,5 °C. Förutom att koldioxiden kväver elden så bidrar kyleffekten till att elden minskar i intensitet.

Tillverkning och användning

Koldioxid fås bland annat som biprodukt vid förbränning av kolhaltiga bränslen och vid upphettning av naturliga karbonat, särskilt vid "kalkbränning" (upphettning av kalciumkarbonat, kalksten). Kalkbränningen ger bränd kalk, (kalciumoxid, CaO):

CaCO3(aq) CaO(s) + CO2(g)
kalciumkarbonat kalciumoxid koldioxid

Den bildade koldioxiden renas och kondenseras, och kan också överföras till kolsyresnö som i sin tur kan pressas till torris.

Gasformig koldioxid används vid framställning av kolsyrade drycker och eldsläckningsanläggningar, medan torris främst används till kylning, till exempel när glass ska transporteras.

En mycket speciell tillämpning är koldioxidlasrar där koldioxiden fungerar som medium för ljusstrålen när den fås att svänga i fas. Koldioxidlasern producerar ljus i det infraröda området vid våglängderna 9,4 och 10,6 mikrometer (μm)

Ett oorganiskt ämne med stor biologisk betydelse

Koldioxiden ingår i kolets kretslopp i naturen. Alla organismer som förbrukar syre i cellandningen producerar koldioxid. Människan andas, liksom djuren, in luftens syre som transporteras ut i kroppen via blodet till cellerna där förbränningen av maten sker. Maten bryts ned till bland annat koldioxid och vatten. Blodet transporterar koldioxiden tillbaka till lungorna och vi andas sedan ut den.

C-föreningar + O2(g) H2O + CO2(g) + energi
kolföreningar syrgas vatten koldioxid energi

I växterna sker den motsatta processen, att bladen tar upp koldioxid som med hjälp av energin från solljuset reagerar med vatten. Då bildas bland annat sockerarter. Restprodukt vid fotosyntesen är syrgas som avges via bladens klyvöppningar.

H2O + CO2(g) + energi C-föreningar + O2(g)
vatten koldioxid energi kolföreningar syrgas

På detta sätt vandrar kolet i ett kretslopp mellan växter och djur. Kolet är i form av koldioxid när det finns i luften. Men i organismerna binds kolet upp i organiska föreningar såsom stärkelse, socker, fetter och proteiner. Koldioxid betecknas som ett oorganiskt ämne, dvs. ett ämne som inte är biologiskt. Men kolet från koldioxiden som binds i organiska föreningar som har en biologisk funktion.

Ökande koldioxidhalter i atmosfären försurar haven

Genom industrialiseringen, och då speciellt förbränningen av fossila bränslen, har sura gaser bidragit till försurning. Speciellt koldioxiden har blivit ett problem. Den naturliga mängden kol i kolets kretslopp har fyllts på med kol från de fossila bränslena som har legat i tryggt förvar i jorden. Koldioxidhalten i atmosfären har ökat dramatiskt.

Försurningen sker när koldioxid som löser sig i vattnet bildar kolsyra. Kolsyra får kalken i korallrev och i djur med kalkskelett att lösas upp. Effekterna är så stora att hela ekosystem är på väg att slås ut.

Ökande koldioxidhalter i atmosfären orsakar global uppvärmning

Eftersom koldioxid är en så kallad växthusgas, så orsakar ökningen av koldioxid i atmosfären en förstärkt växthuseffekt. Beräkningar växthuseffekten måste ta hänsyn till många komplicerade samband. Därför har forskarna av ren försiktighet undvikt att komma med kategoriska påstående om hur kraftig effekten är. Men när nu växthuseffekten har slagit till på allvar kan vi se att den är långt kraftigare än förväntat. Det finns inte heller någon tvekan om att den globala uppvärmningen till allra största delen är orsakad av människans verksamhet som ökat på koldioxidhalten i atmosfären.


Koldioxid i form av vätekarbonat stabiliserar pH

Medan koldioxiden transporteras av blodet reagerar det med vattnet som finns i blodet och bildar kolsyra, vätekarbonat och karbonat. Nästan all koldioxid är i form av vätekarbonat i blodet. Det beror på att blodets pH ligger på cirka 7,4. Vätekarbonatet hjälper till att stabilisera blodets pH så att det inte ska variera alltför mycket. Detta är viktigt för att vi ska må bra. Kroppens reglering och vätekarbonatets pH-buffrande verkan gör att blodet pH håller sig mellan 7,35 och 7,45.

Koldioxiden har också en motsvarande bufferteffekt på pH i naturen. Ett problem är dock att i första reaktionsstegen när koldioxiden reagerar med vatten, så bildas kolsyra. Kolsyran sänker pH. Det är först när en del av kolsyran förbrukas av bas, till exempel i reaktionen med kalk, som det pH-buffrande vätekarbonatet bildas. Ökande koldioxidhalter i luften bidrar därför till försurning av hav och vattendrag.

Koldioxid deponerad som mineraler

På planeterna Venus och Mars är koldioxid den vanligaste gasen. I torr luft på planeten Jorden är koldioxid den fjärde vanligaste gasen näst efter kväve, syre och argon. När de stora oceanerna bildades flyttades en stor del av koldioxiden från den tidiga atmosfären till vattnet där den löstes upp. Nu återfinns stora delar av den tidigare koldioxiden som karbonater i berggrunden.

Av allt kol som finns på jorden är bara en mycket liten del som fri koldioxidgas i atmosfären. Koldioxiden i luften står i jämvikt med koldioxid i vattenlösning. Koldioxiden i vattnet reagerar till kolsyra som reagerar vidare till vätekarbonat (HCO3) och karbonat (CO32–). Karbonatjonerna bildar svårlösliga salter tillsammans med till exempel kalciumjoner (Ca2+) och faller ut som fasta mineraler. Det mesta kolet är bundet i berggrunden som karbonater, men också som en försvinnande liten andel fossil stenkol, brunkol, olja och naturgas. Dessutom har vi kol som är bundet som biomassa i ekosystemen, inklusive förmultnande material i marken.

Fördelningen är följande:

PlaceringVikt kolAndel
atmosfären7,5·1011 ton0.001%
ekosystem2,1·1012 ton0.002%
haven3,8·1013 ton0.038%
berggrunden1,0·1017 ton99.959%

Koldioxid som superkritisk vätska

Vid tillräckligt högt tryck och temperatur övergår gaser till att bli superkritiska vätskor. Tillståndet är något som kan betecknas både som gas och vätska samtidigt. Molekylerna är rörliga nästan som i en gas, dvs diffunderar snabbt. Samtidigt är förmågan att lösa ämnen god, som i en vätska. Dessa egenskaper är till god nytta vid superkritisk extraktion. För koldioxid inträffar det superkritiska tillståndet vid 73,76 bars tryck och en temperatur av endast 31,04 °C. Det gör koldioxiden mycket lämpad för användning som superkritisk vätska.

Kolsyrade drycker

Tre svenskar uppfann den kolsyrade drycken

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

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

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

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

Läskedrycken

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Hälsoeffekter

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

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

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

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


material på avancerad nivå kommer att läggas in här

Koldioxid-karbonatsystemet

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

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

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

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

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


Beräkningsexempel på koldioxid i jämvikt med vatten

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

Jämvikten mellan koldioxid i luften och i vattnet

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

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

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

Jämvikten mellan löst koldioxid i vattnet och kolsyra

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

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

Första protolyssteget av kolsyran

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

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

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

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

Andra protolyssteget av kolsyran

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

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

Luftens löslighet i vatten

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

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

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

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

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


Henrys lag

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

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

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

Koldioxiden har särskilt hög löslighet i vatten

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

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

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

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

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

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

Temperaturberoendet hos gasers löslighet

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

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

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

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

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

Övermättad lösning

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

Försurning av haven

Halterna i atmosfären

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

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

Löslighet och pH i vatten

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

Organismer med kalkskelett påverkas

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

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

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


Kolets kretslopp i havet och atmosfären

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

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


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