Flyter isen i matoljan?

Kemisk bakgrund

Densitet

Densitet betyder massa per volym för ett givet ämne, d.v.s. hur mycket en given volym av ett ämne väger. SI-enheten för densitet är kg/m³, men även g/cm³ används.

Beräkning av densitet för regelbundna fasta föremål:

Hydrometer

Bild: © Wikipedia

För att ta reda på densiteten av vätskor används oftast en hydrometer. En hydrometer består oftast av ett glasrör med en vikt i botten för att det ska kunna flyta upprätt. Vätska som man vill veta densiteten av hälls i en smal behållare och hydrometern sätts ner, beroende på vätskans densitet kommer hydrometern att sjunka olika djupt. Inuti glasröret finns ett papper som gör att den relativa densiteten jämfört med vatten kan avläsas. Den relativa densiteten har ingen enhet och beskrivs matematiskt:

Densiteten är beroende av tryck och temperatur. En ökning av trycket ökar alltid densiteten eftersom molekylerna då kommer närmre varandra och kan pressas ihop fler på samma volym. En ökning av temperaturen minskar generellt sett densiteten, dock finns några viktiga undantag från denna regel, framför allt vatten. Vattnets densitet ökar mellan 0°C och 4°C, detta för bl.a. med sig den viktiga egenskapen att djupare sjöar aldrig bottenfryser.

Densiteten för vatten är högst vid +4°C.

Bild: © Svante Åberg

Vatten och is

Vatten är unikt ämne i flera hänseenden. Vattnets höga kokpunkt på 100°C och höga fryspunkt på 0°C beror på de vätebindningar som finns mellan vattenmolekylerna. När vatten befinner sig i sin flytande form så ingår dessa vätebindningar i ett oregelbundet mönster vilket gör att de kan packas ganska tätt och då få förhållandevis hög densitet (1,000 g/cm³). I is däremot så ingår vattenmolekylerna i ett mer perfekt mönster med vätebindningarna vilket gör att de tar mer plats och därmed gör att is har lägre densitet än vatten. Isens densitet varierar med hur ren den är, ren is har vid 0 C en densitet på 0,917 g/cm³ medan naturis har en densitet mellan 0,89 g/cm³ och 0,95 g/cm³. Is har ca. 9 % större volym än vatten. Följden av detta blir att när isen smälter så bryts en del av dessa vätebindningar, molekylerna packas tätare och densiteten ökar. Densiteten ökar dock bara till en viss gräns, nämligen då temperaturen når +4°C. Detta beror på att en ökar temperatur ger en ökad molekylrörelse som i sin tur gör att molekylerna tar större plats och densiteten minskar igen. Efter +4°C beter sig vatten som vilken vätska som helst och utvidgar sig med temperaturen. Om vattnet hade saknat dessa starka vätebindningar så skulle smältpunkten ha legat på cirka -100°C. Detta går att se om man gör en jämförelse med vattnets homogener H₂S (vätesulfid) och H₂Se (väteselenid) som har betydligt svagare vätebindningar.

Vattnets kemiska och fysikaliska egenskaper när det gäller temperatur och densitet har stor betydelse för livet på jorden. Som exempel kan nämnas att isen på vintern isolerar sjöarna och förhindrar bottenfrysning. När isen smälter på våren ökar dess densitet och vattnet sjunker mot botten, detta ger en omrörning av näringsämnen i sjöarna. Ett annat exempel är vattnets förmåga att behålla och transportera värme (värmekapacitet) som har en stor inverkan på det globala klimatet i och med t.ex. golfströmmen. Utan golfströmmen skulle klimatet här i vår del av norra hemisfären vara betydligt bistrare.

Fördjupning

Fettsyror i matolja

Allmänt om fettsyror

Triglyceridens fettsyror R1, R3 och R3 är bundna med esterbildning till glycerolskelettet.

Bild: © Svante Åberg

Fetter är fettsyror bundna till glycerol. Kemiskt sett är detta en triester som bildats genom en reaktion mellan en karboxylsyra, i detta fall en fettsyra, och en glycerol. Glycerolen utgör ryggraden på molekylen medan fettsyrorna sticker ut som armar åt ena hållet (se bild). Det som avgör vad det blir för typ av fett är den eller de fettsyror som fäster på glycerolen.

Det finns mättade och omättade fettsyror. De omättade fettsyrorna delas i sin tur in i enkelomättade och fleromättade. Mättade fetter förekommer i animaliska fetter, mejeriprodukter, palmolja m.m. Omättade fetter förekommer i vegetabilier så som avokado, nötter, solros- och rapsolja m.m. men även fisk och skaldjur.

Mättade fettsyror

Ordet mättad kommer från att kolkedjan är mättad med väte, dvs. varje kolatom binder maximalt med väteatomer, två eller tre beroende på placering i kedjan. Mättade fettsyror bildar raka kedjor vilket gör att de kan packas tätare och ger därmed en bra form av energilagring hos organismer.

De mättade fettsyrorna innehåller inga dubbelbindningar eller funktionella grupper. Dubbelbindningar är när atomer delar två elektroner i en kovalent bindning. Funktionella grupper är grupper av atomer inom molekylen som är ansvariga för de kemiska egenskaper som molekylen har. Mättade fettsyror förekommer framför allt i fasta fetter, såsom smör och andra animaliska fetter. De mättade fettsyrorna har på grund av sin raka struktur och täta packning höga smältpunkter.

Omättade fettsyror

Omättade fettsyror innehåller en eller fler dubbelbindningar mellan kolen i kolkedjan. Fettsyran binder inte maximalt antal väte, den är omättat på väte. Kolen på båda sidor om dubbelbindningen kan förekomma i cis- eller transform. I cisformen ligger de angränsande kolen på samma sida av dubbelbindningen, vilket gör att kolkedjan böjer sig och dess frihet att forma sig minskas. Vissa fettsyror såsom arakidonsyra har fyra dubbelbindningar och får då en kraftig böj och där med en betydligt minskad flexibilitet. Böjarna i kolkedjan gör att molekylerna i fettsyrorna inte kan packas så hårt, vilket gör att smältpunkten sjunker och de flesta omättade fettsyror förekommer normalt i flytande form vid rumstemperatur. I transformen ligger de angränsande kolen på olika sidor av dubbelbindningen, vilket gör att kolkedjan förblir rakare. Transfetterna är mer lika de mättade fetterna i sin struktur och förekommer nästan i inte alls naturligt, utan är ett resultat av människans påverkan.

Solrosolja

Solrosolja har vid 25°C en ungefärlig densitet på 0,917 g/cm³.

Solrosolja produceras från de oljerika (50 % fett) solrosfröna. Solrosolja innehåller framför allt linolsyra . Linolsyra har två dubbelbindningar i kolkedjan och omvandlas till arakidonsyra i kroppen Dessa två är så kallade omega-6 fettsyror. Essentiella fettsyror kan inte bildas i kroppen utan måste tillföras via kosten. Fettsyror spelar en viktig roll för hjärtcellerna då de är en viktig energikälla för den mekaniska och elektriska aktiviteten i hjärtat.

Solrosoljans fettsyror
fettsyra	halt	densitet	formel	struktur
linolsyra	48 - 74%	0,9025 g/cm3	C18:2, C18H32O2
oljesyra	14 - 40%	0,895 g/cm3	C18:1, C18H34O2
palmitinsyra	4 - 9%	0,85 g/cm3	C16:0, C16H32O2
stearinsyra	1 - 7%	0,87 g/cm3	C18:0, C18H36O2

Linolsyra

Solrosolja innehåller till största delen linolsyra, 48 - 74 % beroende på växtplats. Linolsyran har den kemiska formeln C₁₈H₃₂O₂ och är en färglös vätska. Kemiskt sett är linolsyra en karboxylsyra med en kedja med 18 kolatomer och två dubbelbindningar, C18:2. Karboxylsyror är polära och därmed vattenlösliga, dock bara de kortare (1 - 4 kol) kedjorna. De längre kedjorna blir mer hydrofoba och är därför inte vattenlösliga. Den första dubbelbindningen i linolsyran sitter på 6:e kolet från omega-änden, den kolatom som sitter i metylgruppen sist i kedjan, vilket gör linolsyra till en omega-6 fettsyra. Linolsyra har en smältpunkt på -5°C.

Linolsyra. Numrering av kolatomerna börjar vid ?. I ?-6-fettsyror finns första dubbelbindningen vid kolatom 6.

Bild: © Wikipedia

Oljesyra

Solrosolja innehåller även 14 - 40 % oljesyra (oleinsyra). Oljesyra har den kemiska formeln C₁₈H₃₄O₂ och är svagt gulaktig oljeaktig vätska med isterliknande lukt. Oljesyra är en enkelomättad omega-9 fettsyra som i övrigt finns mest i olivolja (55 - 80 %). Smältpunkten hos oljesyra ligger mellan 13 - 14°C vilket lätt syns i olivolja om den får stå kallt och oljesyran faller ut.

Palmitinsyra

Solrosolja innehåller mellan 4 - 9 % palmitinsyra. Palmitinsyra är ett av de vanligast förekommande mättade fetterna i växter och djur. Palmitinsyra har en smältpunkt mellan 63 - 64°C.

Stearinsyra

Solrosolja innehåller till en liten del (1 - 7 %) även stearinsyra, som är en mättad fettsyra. Stearinsyra är hård och vaxartad och har en smältpunkt på 69,9°C. Stearinsyra har många användningsområden så som ljus, tvål, oljepasteller och smink. Vissa estrar av stearinsyra används för att ge en glittrande effekt i smink och hygienartiklar.

Transfetter

Transfetter är en oftast konstgjord variant av fett som kommer sig av att man omvandlar omättade fettsyror till mättade fettsyror genom att tillsätta väte. Kolkedjan får då en transform och smältpunkten ökar vilket gör att transfetter är fasta i rumstemperatur samt har längre hållbarhet.

Transfetter orsakar åderförkalkning

Till skillnad från de omättade fetterna så är inte transfetter essentiella utan kan i stället leda till kranskärlssjukdomar genom att höja halten av det onda kolesterolet och sänka halten av det goda kolesterolet i blodet. Kolesterol är en fettlöslig molekyl som i kroppen används för att bygga upp cellmembranen m.m. och transporteras runt i blodet med hjälp av lipoproteiner. Det betyder att vi måste ha en viss mängd av rätt kolesterol i blodet för att fungera.

Transfetterna ersätter rätt kolesterol med fel sort, vilket får kärlväggarna i hjärtat att täppas igen och förkalkas. När kärlväggarna förkalkas och blir tjockare får inte hjärtat tillräckligt med syre och kan drabbas av syrebrist och där med en hjärtinfarkt. Rätt kolesterol däremot kan transportera blodfetterna till levern för att förstöras. För att höja mängderna av det goda kolesterolet i kroppen är det bra att träna, hålla en låg vikt, inte röka, undvika transfetter, äta omättade fetter och undvika mättade fetter í maten samt äta mycket fibrer.

Cis- och transform hos en fettsyra
fettsyra	systematiskt namn	struktur
oljesyra	cis-9-oktadekensyra
elaidinsyra	trans-9-oktadekensyra

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)

Livsmedel

Maten håller igång oss

Livsmedel behövs för att hålla igång vårt biologiska maskineri. Det är via maten som vi får energi att röra oss, tänka, men också att växa och reparera våra celler i kroppen. Kroppens maskineri är oerhört komplicerat, men det klarar att styra flödena av både energi och näring till kroppens olika delar vid rätt tillfälle. Kroppen hanterar också att ta hand om de restprodukter som vi måste göra oss av med.

Processerna i kroppen när maten bryts ned, fördelas, omvandlas och görs av med, är i grund och botten kemiska reaktioner som drivs av energin i maten. Maskinen är vår biologiska kropp, men de enskilda reaktionerna är kemiska. På så sätt kan man säga att vår kropp är en kemisk maskin.

Matens ursprung

Ursprungligen hittade vi vår föda i naturen. I det moderna samhället är de flesta livsmedlen processade på något sätt. Även livsmedel som inte är processade i sig är ofta odlade eller uppfödda med metoder som skiljer sig från det som sker i naturen. Syftet är att öka produktionen och att säkerställa kvalitén.

Att livsmedlen inte är helt naturligt producerade behöver inte vara ett problem. Det är bra att vi kan producera mera med mindre resurser. Det är också bra att vi har koll på kvalitén. Men vissa saker är inte bra. Tillsatser som gör att livsmedlen får längre hållbarhet, ser mer aptitliga ut och smakar bättre är inte alltid nyttiga, även som det kan verka så.

Grunden till all produktion av livsmedel är solens energi och växternas fotosyntes. I nästa steg kan djuren äta växterna och producera kött som vi sedan kan äta, men ursprunget är växterna. Men om inte djuren och människorna fanns, så skulle växterna till slut bli utan koldioxid som de behöver för sin fotosyntes. Djur och människor andas ut koldioxid. Kropparna bryts också ned till koldioxid och mineraler när de förmultnar. Detta tar växterna hand om, ofta med svamparna som mellanled. Det hela är ett kretslopp där både växter, svampar och djur ingår. Allt levande både äter och äts. Det som får kretsloppet att hålla igång är strålningen från solen.

Tycke och smak

Genom evolutionen har vi lärt oss att välja vad som är bra med hjälp av lukten och smaken. Oftast är det som vi gillar också nyttigt. När maten är skämd, brukar den börja lukta illa, vilket gör att vi inte äter det som kan göra oss sjuka.

Men det vi tycker om är inte nödvändigtvis bra för oss. Sötma är en signal att maten är bra, vilket stämde väl när människan levde nära naturen och behövde den energi man kunde finna. Men nu finns socker i överflöd. Det blir för mycket av det goda, så att vi blir feta och får sjukdomar som karies och diabetes.

Smaken för maten är också en kulturell fråga. Den mat vi lär oss tycka om från barnsben tycker vi oftast om resten av livet. Det finns också kulturella aversioner mot vissa typer av mat. I Sverige är vi inte vana att äta insekter, men insekter är förträfflig mat som är både nyttig och miljövänlig.

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