Blå himmel och röd solnedgång
Kemisk bakgrund
Synliga spektrat och regnbågens färger
Solens strålar innehåller det synliga spektrats alla färger: rött, gult, grönt, blått och violett. Dessutom sänder solen ut infrarött och ultraviolett, som vi inte kan se. Det synliga våglängdsområdet sträcker sig från 400 nm (violett) - 700 nm (rött).
Med hjälp av ett prisma kan man dela upp det vita ljuset i dess olika färger. Det blå ljuset som har den kortaste våglängden bryts mest.
Regndroppar bryter också ljuset på ett liknande sätt. Dessutom reflekteras ljuset inuti droppen flera gånger. Resultatet blir återkastat ljus, men där de olika färgerna återkastas i olika vinklar. Det är så en regnbåge uppstår. Regnbågens centrum ligger exakt på motsatta sidan av solen, jämfört med betraktaren. Bågen ligger på en vinkel av 42 ° från dess centrum.
Himlens färger
 |
| Foto: Ó Svante Åberg |
Mitt på dagen står solen högt på himlen. Då är den sträcka solstrålarna måste passera genom atmosfären för att nå jorden inte så lång. Det direkta solljuset har därför kvar det mesta av den blå komponenten i sitt spektrum och ljuset ser vitt ut. I bilden till höger är det dagtid i Nordamerika och solstrålarna faller in rakt mot jorden, den kortaste vägen genom atmosfären (undre strålen).
I skymningen faller solljuset in snett mot atmosfären och den sträcka ljuset måste passera innan det når marken är mycket längre. Mera av det blå ljuset hinner då spridas åt olika håll innan strålen når marken. Kvar återstår det röda ljuset man ser i närheten av solen som får molntappar att flamma i rött när ljuset återkastas av daggdropparna i molnen. Visserligen sprids det violetta ljuset ännu mer än det blå, men våra ögon är mindre känsliga för violett och vi ser därför mest den blå färgen.
Olja i vatten
Olja och vatten är inte lösliga i varandra. Normalt skiktar sig en blandning av de två med oljan ovanpå och vattnet under. Om man skakar blandningen bildas oljedroppar som svävar i vattnet. Efter en tid flyter emellertid dropparna upp igen så att vattnet och oljan skiktar sig på nytt. Om oljedropparna är tillräckligt små tar emellertid skiktningen mycket lång tid.Vissa ämnen har förmågan att stabilisera oljedropparna. Detergenter (tvättmedel) har den förmågan. Ett annat ämne som stabiliserar oljedropparna är proteinet lecitin, som finns i äggula. Det utnyttjas när man gör salladsdressing. En sådan blandning av finfördelade, olösliga droppar i en annan vätska kallas emulsion.
En suspension är ett annat ord för uppslamning. Ju finare de uppslammade partiklarna är, desto längre tid tar det för tunga partiklar att sjunka till bottnen eller lätta partiklar att flyta upp till ytan.
Mjölk
Mjölk är en emulsion av fettpartiklar i vatten. Föutom fett och vatten ingår även proteiner, laktos, salter och små mängder av fosfolipider, vitaminer, enzymer, karotenoider (t.ex. β-karoten), samt gaser som koldioxid och syre.Fetthalten i naturlig komjölk är omkring 4,3 %. Mjölken vi köper i affären har följande fetthalter: Standardmjölk 3 %, mellanmjölk 1,5 % och lättmjölk 0,5 %
Fördjupning
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.
material på avancerad nivå kommer att läggas in här
Löslighet
När atomer eller molekyler av ett ämne blandas på atom-/jon-/molekylnivå med ett annat ämne, så säger man att ämnet löser sig. Både fasta, flytande och gasformiga ämnen kan gå i lösning på detta sätt. Ämnet som tar emot partiklarna som löser sig, och som förekommer i större mängd, kallas lösningsmedel.
Exempel på lösningar är:
- syrgas i vatten (gasformigt ämne löst i vätska)
- salt i vatten (fast ämne löst i vätska)
- zink i koppar (fast ämne löst i ett fast ämne)
- väte i platina (gas löst i fast ämne)
- metan i luft (gas löst i gasformigt ämne)
En lösning behöver alltså inte vara en vätska. Det finns både fasta, flytande och gasformiga lösningar.
Begränsad löslighet
Ofta är lösligheten begränsad. Det har att göra med den jämvikt som uppstår mellan ämnet i lösning och samma ämne i ren form. Till exempel löser sig koksalt i vatten upp till 36 g per 100 ml (motsvarande 26 vikts-%) vid 20 °C.
Jonerna i den fasta natriumkloriden löser sig med jämn hastighet, vilket tenderar till att öka koncentrationen av löst ämne. Men den motsatta reaktioner sker också. Natrium- och kloridjonerna i lösningen faller ut som fast natriumklorid. Den hastighet med vilken saltet faller ut beror på hur ofta natrium- och kloridjoner stöter på varandra i lösningen. Därför ökar utfällningen av salt med koncentrationen i natriumkloridlösningen. Vid 26 vikts-% NaCl är utfällningen lika snabb som upplösningen av koksaltet. Då sker ingen nettoförändring. Man har en dynamisk jämvikt där lösningen är mättad, dvs. innehåller maximal mängd koksalt.
Obegränsad blandbarhet
Ibland är lösligheten obegränsad och det lösta ämnet och lösningsmedlet är fullständigt blandbara i alla koncentrationer. Exempel på detta är etanol i vatten. Vilken proportion av etanol och vatten du än blandar, så kommer du att få en homogen lösning, dvs. en enda fas. Du kommer inte att se någon fasgräns mellan ämnena.
Lösning av gasformiga partiklar i en annan gas har alltid obegränsad blandbarhet. Det beror på att i en gas så är partiklarna så långt ifrån varandra att de inte påverkas av några attraktionskrafter som tenderar att klumpa samman ämnena i aggregat. Alla atomer/molekyler rör sig helt fritt i gaslösningen.
Bindningskrafterna avgör lösligheten - "Lika löser lika"
När det finns ett löst ämne och ett lösningsmedel, så finns det tre alternativa bindningar som kan uppstå mellan partiklarna (atomerna/molekylerna/jonerna):
- löst ämne - löst ämne
- lösningsmedel - lösningsmedel
- löst ämne - lösningsmedel
Man brukar använda en tumregel: "Lika löser lika". Det syftar på polariteten, dvs. laddningen hos partiklarna. Ämnen löser sig lättast i varandra om de är ungefär lika polära. Vi ska förklara hur detta kommer sig.
Vatten är en starkt polärt ämne. Visserligen är molekylen som helhet oladdad, men det finns en laddningsförskjutning så att syreatomen är negativ och väteatomerna positiva. Två vattenmolekyler binder varandra ganska starkt genom att syret i den ena molekylen lägger sig nära vätet i den andra vattenmolekylen. Den negativa och positiva laddningen attraherar varandra. Vatten binder alltså varandra ganska starkt.
Kolvätena i bensin är ett mycket opolära. Kolvätena är oladdade molekyler som inte heller har någon laddningsförskjutning inom sig i molekylen. Det gör att kolväten bara binder varandra svagt med hjälp av Londonkrafter (Van der Waals-krafter).
Ju starkare bindningen är, desto större chans är det att partiklarna ska klumpa sig samman. Vatten i blandning med bensin ger mycket dålig löslighet. Vattenmolekylerna klumpar samman sig med sina starka krafter och bildar en egen fas. Kolvätemolekylerna blir över och bildar en annan fas. Kolvätena bildar inte en egen fas på grund av attraktion mellan kolvätena, utan därför att de inte få vara tillsammans med vattnet. De blir så att säga ratade av vattenmolekylerna.
Om två ämnen inte har samma polaritet, men ändå inte skiljer sig åt alltför mycket, så får de en god löslighet även om den är begränsad. En möjlighet att lösa ett ämne är därför att använda lösningsmedel i flera steg. Om du till exempel har fått smutsig motorolja på händerna, så är det svårt att tvätta bort med tvål. Motoroljan är alltför opolär för att tvålen riktigt ska kunna lösa den. I ett första steg kan du då smörja händerna med margarin, som är opolärt. Oljan löser sig i margarinet. I nästa steg tvättar du bort margarinet med hjälp av tvål och vatten. Oljan som är löst i margarinet följer då med margarinet när det tvättas bort med vatten.
Elektromagnetisk strålning
Elektromagnetisk strålning består av fotoner, energipaket utan massa som rör sig med ljusets hastighet. Fotonens energi är oförändrad så länge som den inte kan utbyta energi med någon partikel eller annan foton som den kolliderar med.
Fotonen har både partikelegenskaper och vågrörelseegenskaper.
Fotonens energi
Fotonens energi har ett direkt samband med ljusets våglängd:
E = hc/l, där
E = energi
h = Plancks konstant = 6.626070040×10−34 J·s = 4.135667662×10−15 eV·s
c = ljusets hastighet i vacuum = 299792458 m/s
l = ljusvåglängden
Om man sätter in värdet på Plancks konstant och ljushastigheten blir uttrycket
E(eV) = 1,2398/l(mm)
mer material på grundnivå kommer
material på avancerad nivå kommer
Ljusabsorption och emission
Energiutbyte genom ljusabsorption
När en foton kolliderar med en atom (eller molekyl) kan den avge sin energi till atomen (molekylen). Atomen (molekylen) exciteras till ett högre energitillstånd samtidigt som fotonen antingen släcks ut helt, ifall den tappar all sin energi, eller omvandlas till ljus med större våglängd och därmed lägre energiinnehåll.
Energiutbyte genom ljusemission
Exciterad materia kan också göra sig av med extra energi i form av fotoner. Ett exempel på detta är när materia upphettas till den blir glödande, så kallad svartkroppsstrålning. Ett annat exempel är när en kemisk reaktion utvecklar energi som avges i form av ljus, så kallad kemiluminiscens.
mer material på grundnivå kommer
material på avancerad nivå kommer