När 1 plus 1 inte är 2

Kemisk bakgrund

Vattnets 3D-struktur

Klicka i figuren nedan för att starta ChemScape Chime (plug-in till Netscape som kan hämtas gratis på Internet) eller ladda ner strukturen. När du tittar på molekylen i 3D kan du klicka med höger musknapp, välja "Display" - "Spacefill" - "Van der Vaals radii". Vrid på strukturen och se hur det finns hålrum mellan vattenmolekylerna. Lägg också märke till hur vätet (vit) i en vattenmolekyl binder till syret (röd) i en annan. Denna typ av bindning kallas vätebindning.

Vatten i frusen form, dvs is, har en regelbunden struktur, med ännu mera hålrum (se strukturen hos is). Anledningen till den luckra strukturen är vätebindningen mellan syret och vätet hos vattenmolekyler som ligger nära varandra. De orienteras sig därför inte på det mest tätpackade sättet utan bildar den luckra kristallstrukturen.

Volymen kan både öka och minska vid blandning

En ideal lösning har egenskapen att blandningens volym är lika med summan av de ingående vätskornas volymer före blandningen. Verkliga lösningar avviker mer eller mindre från denna regel.

När 50 ml etanol och 50 ml vatten blandas minskar den totala volymen till 96,47 ml i stället för förväntade 100 ml.

Motsatta fallet får man när man blandar koldisulfid och etylacetat (måste utföras i dragskåp; farligt att inandas!). 50 ml koldisulfid blandad med 50 ml etylacetat ger volymen 101,4 ml. Anledningen till att volymen ökar i detta fall är att attraktionskrafterna mellan koldisulfid- och etylacetatmolekylerna inte är lika starka som mellan två koldisulfidmolekyler eller mellan två etylacetatmolekyler. [2]

Om vätskor som liknar varandra blandas så blir volymminskningen, eller ökningen, väldigt liten. Om man till exempel blandar 50 ml metanol med 50 ml etanol så blir volymen 100 ml.

Experimentera med olika proportioner

I experimentet med vatten och aceton visar det sig att man får den största volymminskningen om man tar vatten och aceton i molförhållande 3:1, molbråket n_aceton/(n_aceton + n_vatten) = 0,25. [1]

Man kan använda T-sprit i stället för ren etanol

T-sprit är 95 %-ig etanol i vatten plus små mängder denatureringsmedel. Denatureringsmedlen är metyletylketon, etylacetat, bitrex. Dessutom ingår färgämnen. Anledningen till procenttalet 95 % är att etanol bildar en azeotrop med vatten när den destilleras. När 95 %-ig etanol destilleras förångas etanolen och vattnet i samma proportioner som de förekommer i lösningen. Därför sker ingen ytterligare separation av vätskorna.

När 50 ml T-sprit blandas med 50 ml vatten blir volymen 96,8 ml. [2]

Aceton är ett bra lösningsmedel

Nagellacksborttagare innehåller mest aceton. Aceton är ett lösningsmedel som är både polärt och opolärt. Det kan därför lösa oljiga, feta föreningar, men är samtidigt löslig i vatten.

Fördjupning

Etanol

Framställning

Etanolen (etylalkohol, förenklat skrivsätt EtOH) har uråldriga anor som berusningsmedel och den framställdes genom jäsning av kolhydrater från växtriket. Den kemiska reaktionen som sker är:

C6H12O6	→	C2H5OH	+	CO2
socker		etanol		koldioxid

Dessutom behövs en katalysator i form av jäst. Det är ett enzym hos jästsvampen som omvandlar kolhydraterna till etanol. Jästsvampen kan bara överleva i en alkoholhalt på ca 13 %, därefter dör den och jäsprocessen upphör. För att få högre alkoholhalt krävs att man destillerar alkoholen.

Detta var innan den petrokemiska industrin fanns. Idag framställs etanol för industriellt bruk genom hydrering av eten (kallas ibland etylen). Den kemiska reaktionen äger rum med hjälp av en katalysator och är:

H2C=CH2	+	H2O	→	C2H5OH
eten		vatten		etanol

Egenskaper

Kokpunkten för etanol är 78 ^⚬C och fryspunkten -114 ^⚬C. Den låga fryspunkten gör etanolen lämplig att använda i termometrar. För bättre synlighet färgas den vanligen röd eller blå. Förr användes kvicksilvertermometrar, men de förbjöds av av miljöskäl.

Etanol är lättantändlig och brinner med en blå låga om syretillförseln är god. Flampunkten för ren etanol är 16,6 ^⚬C. Det innebär att vid temperaturer över 16,6 ^⚬C bildas det tillräckligt med etanolångor ovanför vätskan för att de ska vara antändbara, förutsatt att ångorna inte ventileras bort. Under denna temperatur kan ångorna inte antändas eftersom koncentrationen av etanolångor är för låg.

I vatten-etanolblandningar är volymen mindre än samma mängd vatten och etanol separat. Det beror på att vatten har ett inslag av struktur även i flytande form som beror på vattenmolekylens vinkel och hur vattenmolekylerna binder till varandra med vätebindningar. Strukturen är då hexagonal, på motsvarande sätt som i snökristaller. Denna struktur är lucker. När etanol blandas med vatten fyller etanolmolekylerna delvis ut det tomrum som finns i vattnet och därför är blandningen mer kompakt än vattnet är enskilt.

Etanol som lösningsmedel

Etanol är vattenlöslig i alla blandningsförhållanden. Den vattenlösliga delen är OH-gruppen som bildar vätebindning till vatten. Den icke vattenlösliga kolvätekedjan med två kolatomer är för kort för att påverka lösligheten i vatten.

Som lösningsmedel kan man dock se skillnad på etanol och metanol. Den något längre kolvätekedjan i etanol med 2 kolatomer i jämförelse med metanolens enda kolatom gör etanolen till ett sämre lösningsmedel för salter. Å andra sidan är etanol bättre lösningsmedel än metanol för feta ämnen, vilket man märker vid fläckborttagning.

Etanol används som lösningsmedel i många sammanhang. Ett exempel är munskölj. Den finns i vattenbaserade färger, rengöringsmedel, i läkemedel, lacker och bläck.

Berusningsmedel

Etanolen, eller "alkoholen", har använts som berusningsmedel sedan mycket länge tillbaka. Etanol bildas naturligt i jäsningsprocesser, t.ex. då frukt blir gammal. Man kunde därför oavsiktligt bli berusad av fermenterad mat. Det är välkänt att alkoholen försämrar omdömet och reaktionsförmågan, men den kan även vara avslappnande.

Benämningen "alkohol" är egentligen ett begrepp som täcker in alla kolväten som har en eller flera OH-grupper. Exempelvis är också träsprit (metanol) en alkohol. Men i dagligt tal brukar man mena etanol när man talar om alkohol.

Medicinska effekter

I kroppen oxideras etanolen till acetaldehyd. Det är ett skadligt ämne som orsakar illamående, så kallad "bakfylla". Acetaldehyden oxideras sedan vidare till etansyra (dvs. ättiksyra) med hjälp av ett enzym.

Etanolen är beroendeframkallande. Långvarigt bruk leder till många allvarliga medicinska tillstånd. Bland de mer kända är skrumplever som innebär att levervävnaden bryts ned och omvandlas till bindväv. Allt större delar av levern dör, blir hård och skrumpnar sedan. En annan känd effekt av långvarigt bruk är hallucinationer och psykiska problem såsom delirium tremens. Ytterligare medicinska problem som förekommer är bland annat högt blodtryck, depression, impotens och strupcancer.

Etanol som fordonsbränsle

Etanolen har samma brandklass som bensinen. En nackdel är att etanol inte förångas lika lätt som bensin i låga temperaturer, och det gör den svår att använda på breddgrader med mycket kallt klimat. Etanol används dock som fordonsbränsle med benämningen E85. Den innehåller 85 % etanol och 15 % bensin sommartid. Vintertid då etanolens begränsade flyktighet kan vara ett problem är proportionerna 75 % etanol och 25 % bensin.

Eftersom etanolen har ett lägre energiinnehåll vid förbränning än bensin är också etanolbilarna törstigare. En fördel med etanol är dock att den kan framställas ur biomassa. Om det kan ske utan att produktionen i övrigt förbrukar stora mängder fossila bränslen, t.ex. för traktorer och transporter inom jordbruket, så kan nettoutsläppet av koldioxid minskas genom att använda etanol som bränsle. De stora koldioxidutsläppen är ju ett allvarligt problem som orsakar global uppvärmning med ekonomiska påfrestningar och social oro när människors levebröd försvinner.

Etanol som industriråvara

Etanol används främst vid framställning av etanal och som lösningsmedel.

Den tekniskt framställda etanolen görs odrickbar genom denaturering. Rödsprit, ofta kallad T-röd, består vanligtvis till 95% av etanol och 5% av denatureringsmedel, som gör alkoholen odrickbar. Exempel på denatureringsmedel är isopropanol, etylacetat, metyletylketon, metylisobutyl-keton, dietylftalat, butylacetat, butanol, Bitrex®, toluen. Dessutom ingår färgämnen.

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.