Transkript

1 Grundämnen och kemiska föreningar 1. Grundämnen Människan har länge känt till nio grundämnen, nämligen metallerna: guld, silver, koppar, bly, tenn, järn, kvicksilver och icke-metallerna: kol, svavel. Sverige fick en betydande roll när vi hade vår storhetstid inom grundämnesområdet. År 1735 var antalet kända grundämnen femton stycken. Nu kom en era då många svenskar var inblandade i upptäckten av allt fler grundämnen. Kobolt och nickel var två av de grundämnen som nu upptäcktes. Därefter upptäckte en av de stora svenska kemisterna, Carl Wilhelm Scheele, både syre och kväve. Bland de nya grundämnen som har hittats sedan 1735 har svenskar varit inblandade i drygt tjugo fyndigheter. För att få ordning på alla nya grundämnen införde Jöns Jacob Berzelius det symbolspråk som nu används för grundämnena. Varje grundämne betecknas med en eller två bokstäver och har inledande versal. Silver betecknas exempelvis Ag, järn betecknas Fe, Kol betecknas med C. När allt fler grundämnen hittades såg forskarna att flera ämnen hade liknande egenskaper. För drygt hundra år sedan gav den ryske kemisten Mendelejev ut en skrift där han ordnat grundämnena i ett system vid namn det periodiska systemet. Det periodiska systemet är uppställt i perioder (vågräta rader) och grupper (lodräta rader). 1.1 Viktiga grundämnen i växter Ett träd kan innehålla olika grundämnen och då i form av olika föreningar. Bild 1.Ett träd består till största delen av kol, väte och syre men även av många andra ämnen. Foto: P. Lindgren

2 Dessa ämnen bildas genom att växterna tar upp vatten från marken och energi från solen så att energirika ämnen bildas av dessa grundämnen. Detta kallas för fotosyntes. De energirika bildade ämnena kallas kolhydrater. Kolhydraterna utgör ca % av växternas sammansättning. Kol tas upp från koldioxid och syre och väte tas från vatten. Dessa tre ämnen är även huvudbeståndsdelarna i alla levande varelser. Förutom dessa ämnen behöver träden andra viktiga grundämnen. De ämnen som tas upp av rötterna finns lösta i jorden. Dessa förekommer ofta som salter eller som joner det vill säga laddade partiklar. Tre vikta grundämnen för träd är kväve, fosfor och kalium, NPK: Kväve - finns i trädet bland annat som beståndsdel i enzymer, hormoner och som en del i aminosyror. Fosfor viktigt ämne i trädcellernas energiomsättning (liksom hos alla levande varelser). Fosfor behövs även när trädet skall sätta blommor och frukt Kalium krävs av växterna i förhållandevis stora mängder. Kalium hittas framförallt i växternas växande organ såsom skott- och rotspetsar. Andra viktiga grundämnen: Kalcium förekommer rikligare i äldre växtdelar än i yngre och har bland annat som funktion att göra cellmembranen stabila. Magnesium hittas bland annat i klorofyllmolekylen. Järn behövs i mindre mängd än de övriga nu nämnda grundämnena. Järn deltar vid bildningen av klorofyll (utan att själv ingå) och förekommer i en del enzymer. Svavel ingår bland annat i proteiner. Övriga grundämnen som träden behöver i mindre mängd är bland annat: Mangan, bor, zink och koppar. I ett ton torr ved finns: I ett ton torr bark finns: g Magnesium, Mg 600 g Magnesium, Mg 10 g Aluminium, Al g Aluminium, Al g Kisel, Si g Kisel, Si

3 40 80 g Fosfor, P g Fosfor, P >100 g Klorid, Cl g Klorid, Cl g Mangan, Mn g Mangan, Mn g Kalium, K g Kalium, K 10 g Natrium, Na g Natrium, Na g Kalcium, Ca 4000 g Kalcium, Ca 2. Viktiga grundämnen och kemiska föreningar i skogsindustrin Inom skogsindustrin används få rena grundämnen. På en del bruk bränns svavel till svaveldioxid. Denna förening kan användas för olika ändamål inom industrin, till exempel till att framställa kokvätska för sulfitmassatillverkning producera blekmedel. Gasen syre, som finns i luften, är också ett grundämne. Den är nödvändig för att det skall kunna bli någon förbränning. Grundämnet syre (ozon och syrgas) utnyttjar man också när man bleker massa. Gasen syre består normalt av 2 syreatomer, O 2 som bildar syremolekylen. Ozon är en speciell form av syre där molekylen består av 3 syreatomer, O 3. Naturligtvis finns andra grundämnen på en massa- och pappersfabrik men de ingår inte i själva tillverkningsprocessen. Det kan vara till exempel järn, koppar och aluminium, men också den mer ovanliga och dyra metallen titan som används som konstruktionsmaterial. Även om det sällan finns rena grundämnen i tillverkningsprocessen, så är det ett antal som ingår i kombination med andra grundämnen i form av kemiska föreningar. Inom sulfatindustrin är de viktigaste grundämnena i olika kemiska föreningar metallerna natrium och kalcium. Föreningar med natrium ingår: i kokvätskan (vitluten) i de smälta kemikalierna från sodapannan (smältan) i den i vattenupplösta smältan (grönluten). I den avdelning i en massa- och pappersfabrik som kallas mixeriet skall grönluten omvandlas till vitlut (se avsnittet Oxidation och reduktion där processen beskrivs). Det görs genom att sätta till kalciumföreningar. Kalciumföreningarna förekommer i mixeriet i form av bränd- och släckt kalk och kalksten (kallas även för mesa i skogsindustrin). Bränd kalk har formeln CaO, släckt kalk Ca(OH) 2 och kalksten CaCO 3. Vid tillverkning av sulfitmassa kan det i koksyran ingå endera kalcium, magnesium (vanligast) eller natrium.

4 2.1 Översikt: metaller som är vanliga inom skogsindustrin Natrium, Na. (alkalimetall) Förekommer i många kemiska föreningar både i massafabriken och i pappersbruket. Natriumhydroxid, NaOH finns i kokvätskan som kallas vitlut och används även vid blekning. Natriumhydroxid utnyttjas också vid ph-justeringar. Andra natriumföreningar är natriumkarbonat (soda), Na 2CO 3, natriumsulfid, Na 2S, natriumvätekarbonat (bikarbonat), NaHCO 3, natriumsulfit, Na 2SO 3 och natriumvätesulfit, NaHSO 3. Kalcium, Ca. (jordalkalimetall) Kalciumkarbonat (Mesa), CaCO 3, bildas när grönlut omvandlas till vitlut. Mesa är kemiskt sett det samma som kalksten och det användsn också för att ersätta de förluster av kalcium som uppstår i processen. En speciell, finfördelad form av kalksten kan användas som fyllmedel i papper. Osläckt och släckt kalk (kalciumoxid, CaO och kalciumhydroxid, Ca(OH) 2) deltar i kemiska reaktioner i mixeriet. Övriga metaller Vid papperstillverkning görs olika tillsatser till mälden (blandningen av pappersmassa och vatten) för att skapa önskade egenskaper hos produkten. Alun (aluminiumsulfat, Al 2(SO 4) 3) är ett sådant tillsatsämne där metallen aluminium ingår. Det är också möjligt att sätta fyllmedel till mälden för att göra papperet mindre genomskinligt eller bestryka papper för att få en jämnare yta. Två pigment som kan användas är talk (Mg 3Si 4O 10(OH) 2) som innehåller metallen magnesium, Mg, eller titandioxid, TiO 2 som innehåller metallen titan, Ti. 2.2 Översikt: ickemetaller som är vanliga i skogsindustrin Syre, O. Syre heter oxygen på latin. Det ingår i luft till 20 %. Ren syrgas, O 2, används vid blekning av massa liksom en speciell form av syre som kallas ozon, O 3. Syre ingår i alla kemiska föreningar som slutar på -it och -at, i de flesta syror, i alla oxider och hydroxider. Svavel, S. Svavel heter sulfur på latin och därifrån kommer orden sulfit och sulfat. Kemisk massaframställning bygger på vissa svavelföreningars förmåga att lösa ut lignin och frigöra fibrerna i veden. Kol, C När det gäller ickemetaller så har vi också de grundämnen som bygger upp råvaran, veden. Alla som har eldat en brasa vet att veden innehåller grundämnet kol, C. Vad som är svårare att se är att det också finns väte, H, och syre, O, i veden. Det är alltså bara tre grundämnen som naturen utnyttjat för att bygga upp en så invecklad organism som ett träd; kol, väte och syre.

5 Glukos C 6H 12O 6, en kolhydratmolekyl I denna kemiska fabrik bildas kolhydrater, där koldioxid och vatten med hjälp av ljusenergi bildar kolhydrater och syrgas. Foto: P. Lindgren Kisel, Si Föreningar som innehåller kisel, Si, använder man bl.a. i blekeriet. Nartriumsilikat ( vattenglas ), Na 2[SiO 2(OH 2)] 4 H 2O används vid blekning av pappersmassa tillsammans med väteperoxid för att binda metalljoner. Klor Förutom de grundämnen som redan nämnts, bör klor (Cl) också nämnas, där en klorförening som klordioxid, ClO 2, ännu inte spelat ut sin roll i skogsindustrin.