Klorerade alifater. Ämnesgrupper Kemiska och fysikaliska egenskaper Nedbrytning. På säker grund för hållbar utveckling

Transkript

1 Klorerade alifater Ämnesgrupper Kemiska och fysikaliska egenskaper Nedbrytning På säker grund för hållbar utveckling

2 Tre grupper Klorerade etener 2 kol och en dubbelbindning PCE TCE DCE VC Starka kovalenta bindningar (delar elektroner) mellan atomerna C = C, C - H och C - Cl Exempel Cl Cl C C H Cl TCE CHCl = CCl 2 Klorerade etaner 2 kol utan dubbelbindning 1,1,1-TCA 1,1,2-TCA 1,1-DCA 1,2-DCA och CA Starka kovalenta bindningar (delar elektroner) mellan atomerna C - C, C - H och C - Cl H H C H Cl C Cl Cl 1,1,1-TCA CCl 3 CH 3 Klorerade metaner 1 kol CT CF DCM och CM Stark kovalent bindning C Cl, C - H CT CCl 4 Cl Cl H C Cl Kloroform CF CHCl 3 2

3 Molekylstruktur för de vanligaste DNAPL som vi möter Tetrakloreten Trikloreten Dense Non Aquous Phase Liquids 3

4 Dense Non Aquous Phase Liquids Klorerade alifater kallas tunga, dvs högre densitet i jämförelse med vatten DNAPL Molekylvikt (g/mol) Densitet kg/m 3 PCE CCl 2 = CCl 2 166, TCE CCl 2 = CHCl 131, DCE CHCl = CHCl 97, / (cis/trans) VC CH 2 = CHCl 62,5 910 Att jämföras med: Vatten H 2 O 18,0 999,97 Metan CH 4 16, CH 4 (g) Etan C 2 H 6 30, C 2 H 6 (g) Eten C 2 H 4 28, C 2 H 4 (g) Cl 35, Cl 2 (g) Densitet avgörs av T, P, molvikt, intermolekylära krafter och molekylernas struktur 4

5 Molekylvikt och antal mol Det är vanligt att man vill se på utvecklingen över tid i ett grundvatten Vattnet innehåller en blandning av moder- och dotterprodukter vars inbördes förhållande inte är konstant Likadana halter för två ämnen med olika molekylvikt betyder att ämnena förekommer med olika antal molekyler Molekylvikt Antal mol g/mol, varav en mol = 6,02 *10 23 molekyler ( Halt i g/l ) / Molvikt Idealt, slutet system: PCE TCE DCE VC - Eten PCE minskar 20 µg/l 20 µ / 166 = 0,12 µmol TCE ökar 20 µg/l 20 µ / 131,5 = 0,15 µmol 5

6 Hydrofob och Non Aquous Löser sig inte i vatten Medelstarka vätebindningar (dipolbindning) mellan polära vattenmolekyler Svagare van der Waals krafter mellan de kovalenta, huvudsakligen opolära DNAPLmolekylerna Dipol dipol bindningar mellan polära molekyler Lika löser lika 6

7 Attraktion mellan molekyler van der Waal = elektrostatisk attraktion mellan elektroner hos en atom/molekyl till kärnan hos en annan atom eller molekyl Rörelser hos elektronerna skapar tillfälliga dipoler även hos symmetriska molekyler och som ger upphov till tillfälliga attraktioner ( induced dipole dipole ). Effekten förstärks/försvagas av molekylens form Om molekylen är permanent polär finns även något starkare dipol dipol bindningar Dipol dipol = Attraherande krafter mellan den positiva delen av en polär molekyl till den negativa delen av en annan molekyl, ex polära kovalenta bindningar 7

8 Polaritet Stora skillnader i elektronegativitet mellan tex. atomer och som inte balanseras av molekylstrukturen ger upphov till polaritet. Ojämn fördelning av elektroner i kovalenta bindningar Enskilda bindningar i en molekyl kan vara polära medan molekylen som helhet är opolär Klor har tex. stor elektronegativitet och gör enskilda C - Cl bindningar polära Dubbelbindningen mellan kol i alkener är svagt polär pga att de två bindningarna är olika (sigma och pi) och här har jag två superduperlänkar till elektronegativitet resp. dubbelbindningen: 8

9 Polaritet Polariteten påverkar styrkan på de intermolekylära krafterna (dipol dipol, van der Waal), viskositet och löslighet Molekylers polaritet som helhet PCE TCE cis -1,2 DCE opolär opolär, ngt mindre än PCE polär pga klor på samma sida om dubbelbindningen trans -1,2 DCE VC CHCl 3 CCl 4 opolär polär polär pga starkt elektronegativa kloratomer som inte balanseras opolär (balanserad) En polär organisk molekyl i vatten är mobil Bild: 9

10 Löslighet - Lika löser lika Molekylvikt och polaritet, symmetri och atomer som kan binda sig mot vattnets väte eller syre Opolära molekyler passar inte in i ett nätverk av polära vattenmolekyler. Vattnets stabila, och sammantaget starka struktur med vätebindningar exkluderar opolära molekyler Dessa måste därför existera i en egen fas Bild: 10

11 Löslighet - Lika löser lika En stor, opolär molekyl som inte binder mot vatten har låg löslighet (ex PCE) Löslighet anges för enskilda ämnen men är lägre i blandningar 10% av lösligheten av ett enskilt ämne kan betyda att ämnet finns i fri produkt, dvs det behöver inte konstateras 100% av ett ämnes löslighet för att fri fas finns (snarare ett räkne- eller analysfel) Ämnets molfraktion i en blandning x Ämnets enskilda löslighet = Effektiv löslighet ((antal mol av ett ämne) / (antal mol av PCE, TCE, DCE, VC etc)) x Ämnets enskilda löslighet = Effektiv löslighet Ex. 20 mol PCE i 200 mol PCE, TCE, DCE, VC etc ger: 0,1 x 150 mg/l = 15 mg/l 11

12 Viskositet inträngningsförmåga, tjockhet Motsats: fluiditet, fluidity Ytspänning och intermolekylära bindningar avgörande Om det endast är gravitation som får molekylerna att röra sig, så är även densitet viktig Interna motstånd mot flöden, molekylfriktion Bild: 12

13 Viskositet inträngningsförmåga, tjockhet Låg viskositet < 1 mpa s, lägre än vatten (1,025 mpa s). De är således mindre trögflytande än vatten vilket gör att de har hög inträngningsförmåga Viscositet (mpa s) Dynamisk viskositet är pascal-sekund (Pa s), vilket är lika med 1 N s/m 2 eller 1 kg/(m s) PCE 0,84 TCE 0,86 cis -1,2 DCE 0,48 trans -1,2 DCE 0,41 VC 0,01 Vatten Ca 1 13

14 Kokpunkt beskriver egenskaper Större molekyler med fler elektroner ger starkare intermolekylära bindningar och därmed högre kokpunkt Fler bindningar (ex permanenta dipoler), utöver van der Waal, ger högre kokpunkt eftersom krafterna adderas Form är viktig eftersom vissa fomer kan packas tätare än andra och då låta bindningara bli starkare Varför använder man kokpunkt? Jo, för att det säger så mycket om ett ämnes egenskaper. 14

15 Exempel Ämne Kemisk formel Molekylvikt (g/mol) Polaritet Kokpunkt C Löslighet mg/l Vatten PCE TCE cis-dce trans-dce VC H 2 O 18,0 Polär CCl 2 = CCl 2 166,0 Opolär 121,4 150 CCl 2 = CHCl 131,5 Opolär 86, CHCl = CHCl 97,0 Polär CHCl = CHCl 97,0 Opolär CHCl = CH 2 62,5 Polär -13,

16 Skillnad mellan cis-dce och trans-dce i löslighet Enl. polariteten bör cis-dce vara den mer lösliga. cis- och trans- har lika många klor, lika stora, väger samma. Kan bero på det här: cis-dce har högre kokpunkt = krävs mer energi att separera molekylerna. Indikerar att molekylerna kan vara tätare packade, vilket gör att redan befintliga vdw och dipol-dipol bindningar stärks Tätare packad struktur indikerar att det kan vara svårt för vattenmolekylerna att arrangera sig runt molekylerna och föra dem med sig, dvs det är mer utrymme runt trans-dce molekylerna och fler vatten kan användas för att springa iväg med molekylerna Bild: ism/geometric.html 16

17 Nedbrytning Kol i PCE och TCE har ett högt oxidationstal (PCE +2 och TCE +1) vilket betyder att molekylen i princip inte kan göra sig av med fler elektroner Enda vägen att gå, där molekylen bidrar till att något får energi, är att ta upp elektroner som annat vill göra sig av med (elektronacceptor) Den vanligaste nedbrytningen av de högklorerade alifaterna sker därför genom reduktion (mikrobiell reduktiv deklorering), dvs elektroner upptas av de klorerade etenerna i processen och därmed kan ett klor ersättas av väte 17

18 Reduktiv deklorering Väte vill gärna lämna ifrån sig elektroner (och det kommer dessutom att finnas en plats för vätejonen på den klorerade etenen när klor försvinner) När vi tillsätter kolkälla och fermenterar denna, bla. till väte, är det för att tillse att det finns ämnen som vill lämna ifrån sig elektroner ublikationer/varia/pdf/sgi- V601.pdf Naturvardsverket/Publikationer/ISBN/5800/ / 18

19 Tack för mig! 19