1. KEMINS GRUNDER Atomer, reaktioner och blandningar

Transkript

1

2 Ända från stenåldern har vi människor lärt oss mer om att använda kemin för att få ett bättre och friskare liv. Vet du några viktiga sätt som vi använder kemi på idag? Först blev kemisten Dan Shechtman utskrattad av andra kemister, men sedan fick han Nobelpris. Hur kunde det bli så? Allting runt omkring dig är byggt av atomer. Kan du hitta några likheter mellan atomer och legoklossar? 1. KEMINS GRUNDER Atomer, reaktioner och blandningar Tänk så smart naturen är! Den använder bara ungefär 100 olika sorters byggstenar, som vi kallar atomer. Men eftersom atomerna kan sättas ihop på en massa olika sätt finns det miljontals olika ämnen, som skapar hela den värld vi lever i. Men det räcker inte med det. Ämnena kan dessutom byggas om och förvandlas till andra ämnen. Det är det som kemi handlar om. HÄR FÅR DU LÄRA DIG använda centrala kemiska begrepp för att beskriva kemiska sammanhang och förklara materiens uppbyggnad och oförstörbarhet använda partikelmodeller för att förklara fasers egenskaper och fasövergångar fundera över hur kemin som vetenskap växte fram och resonera kring hur detta påverkade människans levnadsvillkor samtala om och diskutera betydelsen av kunskaper i kemi argumentera för återvinning som ett sätt att skapa hållbar utveckling INNEHÅLL 1.1 Atomer naturens egna byggstenar 1.2 Molekyler är grupper av atomer 1.3 Grundämnen och kemiska föreningar 1.4 Kemiska reaktioner 1.5 Fast, flytande och gas 1.6 Kemiska formler 1.7 Joner och jonföreningar 1.8 Det mesta du ser är blandningar 1.9 Hur separerar vi ämnen? 1.10 Från stenåldersbröd till kvasikristaller PERSPEKTIV Kemikunskaper räddar liv 7

3 1. KEMINS GRUNDER 1. KEMINS GRUNDER 1.1 Atomer naturens egna byggstenar Tack vare de små legobyggstenarna kan det stora huset förvandlas till två andra hus. Väte Tänk dig att du ska skapa en ny värld. Det behövs miljontals olika ämnen för att allting i världen ska fungera. Men det blir väldigt jobbigt att skapa så många olika ämnen. Kan det finnas något knep för att göra det enklare? Syre Kväve Kol Klor Svavel Järn Kvicksilver Så här avbildar vi några vanliga atomslag här i boken. Med ett elektronmikroskop kan vi faktiskt se atomer. Här är sju uranatomer i 20 miljoner gångers förstoring. Atomerna bygger miljontals ämnen Vi kan beskriva ämnen med hjälp av deras egenskaper, om de till exempel är vattenlösliga, sura eller magnetiska. Det är en bra början för att förstå kemi, men det räcker inte. Det finns många miljoner olika ämnen. Hur är det möjligt att bygga så många olika? Hemligheten är att de alla är sammansatta av ungefär 100 olika kemiska byggstenar. Vi kan jämföra dem med bokstäverna i alfabetet. Av de 29 olika bokstäverna kan vi sätta samman hundratusentals olika ord. På samma sätt använder naturen sina byggstenar för att sätta ihop en mängd olika ämnen. Naturens egna byggstenar kallar vi för atomer. De olika sorterna av atomer kallar vi för atomslag. De vanligaste atomslagen i din kropp heter kolatomer, väteatomer och syreatomer. Atomerna hjälper oss att förstå världen Atomerna är så små att de måste vara väldigt många om vi ska kunna se dem. För att få en rad som är 1 millimeter lång behövs det 10 miljoner atomer. Behöver vi verkligen bry oss om atomerna när de är så små? Vore det inte lättare att bara titta på stora bitar av ämnen? Vi ser ju ändå vad ämnena har för egenskaper och om de förändras på något sätt. Det är klart att man kan resonera så. Men då blir det mycket svårare att förstå vad som verkligen händer. Titta på bilden med de tre husen av lego. Det är nästan precis samma legobitar i dem, så det går att plocka isär det stora huset och bygga om det till två små hus. Men om du inte visste att det finns legobitar skulle det verka som rena trolleriet när det stora huset förvandlas till de båda andra. Du skulle inte förstå hur det kunde gå till. Lika svårt är det att förstå hur kemi fungerar om man inte vet att det finns atomer. Demokritos och Dalton kom på atomen Idén att allting är uppbyggt av atomer är mycket äldre än man kan tro. Redan för år sedan sa den grekiske filosofen Demokritos att världen består av väldigt små byggstenar, som inte går att dela. Han kallade dem för atomos, eftersom det betyder odelbar på grekiska. Demokritos gjorde aldrig några experiment för att bevisa att det finns atomer. Det gjorde däremot den engelske kemisten John Dalton. Runt år 1800 lyckades han visa att atomer finns och att Demokritos faktiskt hade rätt. TESTA DIG SJÄLV 1.1 FÖRKLARA BEGREPPEN atom atomslag 1. Ungefär hur många olika atomslag finns det? 2. Vilka är de tre vanligaste atomslagen i din kropp? 3. Varifrån kommer ordet atom? 4. Vem bevisade att det finns atomer? Demokritos (nederst) var först med idén om atomer. Men det var John Dalton som visade att de verkligen finns. 8 9

4 1. KEMINS GRUNDER 1. KEMINS GRUNDER 1.2 Molekyler är grupper av atomer Det finns två sorters molekylmodeller, pinn-kulmodeller och kalottmodeller: Hundratals zebror kommer galopperande över savannen. De är flockdjur, som vill hålla ihop i en grupp. De allra flesta atomer fungerar faktiskt på samma sätt. I pinn-kulmodellen gör pinnarna att det blir mellanrum mellan kulorna. Då blir det lättare att se alla atomer. Men i verkligheten sitter atomerna i en molekyl ihop utan några mellanrum. Det kan man visa med kalottmodeller. Ingen av modellerna visar exakt hur atomer och molekyler ser ut i verkligheten, men modellerna hjälper oss ändå att förstå hur de fungerar. Zebror vill hålla ihop i en grupp det vill faktiskt de flesta atomer också. Molekyler är grupper av atomer Det är väldigt sällan som man hittar en ensam atom någonstans. Istället sitter de nästan alltid ihop i grupper, som kallas molekyler. En mycket viktig molekyl för växter, djur och människor är vattenmolekylen. Den är sammansatt av två väteatomer och en syreatom. I en enda droppe vatten finns det många miljoner vattenmolekyler. Vattenmolekylen består alltid av tre atomer. Andra molekyler kan ha ett annat antal. Det kan vara allt från två atomer till flera miljoner. Atomerna hålls ihop av bindningar Det finns inga pinnar mellan atomerna i en riktig molekyl. Men det finns ett slags klister som håller ihop atomerna. Ett sådant klister kallar vi för en molekylbindning. Ofta säger man bara bindning. Varje bindning i en molekyl håller ihop två atomer. Men det kan finnas många bindningar, så en molekyl kan bestå av många atomer. I ett visst ämne sitter atomerna alltid ihop i samma ordning i molekylerna. Till exempel ser vattenmolekyler alltid ut så här: TESTA DIG SJÄLV 1.2 FÖRKLARA BEGREPPEN molekyl vattenmolekyl molekylmodell molekylbindning 1. Hur många atomer brukar det vara i en molekyl? 2. Varför behöver vi molekylmodeller? De kan aldrig se ut så här: Molekyler kan se väldigt olika ut. Molekylmodeller ger en bild av kemin Det är svårt att förstå hur atomer och molekyler fungerar eftersom de är så små att vi inte kan se dem. Det blir lättare om vi använder en sorts modeller som hjälper oss att få en bild av molekylerna. De kallas för molekylmodeller

5 1. KEMINS GRUNDER 1. KEMINS GRUNDER 1.3 Grundämnen och kemiska föreningar Vartenda korn i den här högen med svavelpulver innehåller miljontals svavelmolekyler. Syre är en genomskinlig gas, kol är ett gråsvart ämne som finns i blyertsen i blyertspennor, och guld är en gul, glänsande metall. De här tre ämnena har väldigt olika egenskaper, och ändå har de något viktigt gemensamt. Svavel är också ett grundämne. Världen består både av grundämnen och av kemiska föreningar. Syrgasen i luften är ett grundämne, men vattnet är en kemisk förening. Och i simmarens kropp finns det tusentals olika föreningar. De flesta grundämnen är metaller Mer än tre fjärdedelar av alla grundämnen är metaller. Alla metaller har vissa gemensamma egenskaper. Till exempel är de blanka och kan leda elektricitet och värme. Några andra viktiga egenskaper som gör metaller väldigt användbara är att de är starka, och att vi kan värma dem och forma dem till den form vi vill ha. Den här tjejen gillar nitar, så det är ju bra att det finns metaller att göra dem av. Och tack vare broräcket av metall hamnar hon och fåret inte i vattnet. En syrgasmolekyl är uppbyggd av ett enda atomslag. Alltså är syrgas ett grundämne. Grundämnen har bara ett atomslag Vart och ett av de tre ämnena syrgas, kol och guld innehåller bara en enda sorts atomer. Ett ämne som bara innehåller ett atomslag kallas för ett grundämne. Eftersom det finns drygt 100 olika atomslag, finns det lika många grundämnen. Syrgas, kol och guld är bara tre exempel. Även om grundämnen bara innehåller ett enda atomslag, sitter atomerna ändå ofta ihop i molekyler. Syrgas är ett exempel. Där sitter syreatomerna ihop två och två i syrgasmolekyler. Grundämnet svavel är ett annat exempel. Där består molekylerna av åtta svavelatomer i en ring. Icke-metaller har väldigt olika egenskaper De grundämnen som inte är metaller kallas icke-metaller. De är inte särskilt lika varandra utan kan ha väldigt olika egenskaper. Till ickemetallerna hör bland annat syrgas, vätgas, kol, klorgas och svavel. Diamant är faktiskt en form av grundämnet kol alltså är det en icke-metall

6 1. KEMINS GRUNDER 1. KEMINS GRUNDER Fe Varje grundämne har ett kemiskt tecken I matte använder vi vissa speciella tecken. Istället för är lika med skriver vi = som är ett matematiskt tecken. Det går fortare och dessutom kan människor från olika länder förstå det. På samma sätt finns det ett internationellt kemispråk. Varje grundämne och atomslag har ett eget kemiskt tecken med en eller två bokstäver. Bokstäverna kommer från grundämnenas latinska namn. Syre heter till exempel oxygenium på latin och har det kemiska tecknet O. Berzelius införde tecknen Det var den svenske vetenskapsmannen Jacob Berzelius som införde bokstavsbeteckningar för grundämnena. Han levde och upptäckte bland annat grundämnena kisel och selen. Berzelius hjälpte också till att bevisa att John Dalton hade rätt när han sa att allt är byggt av atomer. GRUNDÄMNE LATINSKT NAMN KEMISKT TECKEN Väte Hydrogenium H Syre Oxygenium O Kväve Nitrogenium N Kol Carbo C Klor Chlorum Cl Svavel Sulfur S Järn Ferrum Fe C 1 H Li Na K Rb Cs Fr Be 12 Mg Ca Sr Ba Ra Sc Y La Ac Ti V Cr Mn Zr Nb Mo Tc Hf Rf Ta Db W Sg Re Bh Fe Ru Os Hs Co Rh Ir Mt Ni Pd Pt Cu Ag Au Zn Cd Hg B Al Ga In Tl C Si Ge Sn Pb N P As Sb Bi O S Se Te Po F Cl Br En kemisk förening innehåller flera atomslag Om det bara fanns grundämnen skulle kemin inte vara särskilt spännande. Då skulle det bara finnas ungefär 100 olika ämnen. Men i verkligheten finns det också väldigt många ämnen som är sammansatta av flera olika atomslag. Sådana ämnen kallas kemiska föreningar. En vattenmolekyl innehåller till exempel två atomslag två väteatomer och en syreatom. Alltså är vatten en kemisk förening. De olika atomslagen kan sättas ihop till molekyler på väldigt många olika sätt. Hittills känner kemisterna till ungefär 20 miljoner olika kemiska föreningar. Det är alla de här kemiska föreningarna som tillsammans med grundämnena bygger upp världen omkring oss och allt levande som finns i den. I At 2 He Ne Ar Kr Xe Rn De gråa ämnena i systemet är metaller, de gula är icke-metaller. Eftersom vatten är uppbyggt av två atomslag är det en kemisk förening. H Kvicksilver Hydrargyrum Hg O Cl Periodiska systemet Periodiska systemet är en praktisk tabell där grundämnena är sorterade efter sina egenskaper. På bilden ser du ett förenklat periodiskt system. Det innehåller nästan alla grundämnen och deras kemiska tecken. TESTA DIG SJÄLV 1.3 FÖRKLARA BEGREPPEN grundämne metall icke-metall kemiskt tecken periodiska systemet kemisk förening 1. Ungefär hur många grundämnen finns det? 2. Nämn några exempel på grundämnen. 3. Beskriv hur syrgasmolekylen är uppbyggd. 4. Vilka är de kemiska tecknen för väte, syre, kväve och kol? 5. Beskriv hur vattenmolekylen är uppbyggd

7 5. JONFÖRENINGAR 5. JONFÖRENINGAR PERSPEKTIV KROPPEN BEHÖVER LAGOM MYCKET SALT För mycket sal t kan ge livsfar lig vätskebr ist En 6 veckor ga mm al pojke kom till barnaku- ten vi d Astr trid Lindgrens barnsjukhus. Han hade haf aft mags juka i knappt två daga gar, men han var myck et sjukare än vad han borde ha bl ivit av bara diarrén. Läkaren tog bl odpr over. De visade att pojkens blod inn nneh öl l alldeles för mycket salt. Nu gäl älld lde de t fö r läkaren att komm a på va rför ör. Sjuk ukvå rdsr ådgi givn vninge n hade sagt till för - äldrarna att ge pojk jken vät ätsk skee eersät tning. Det är vat atte ten med lite socker och lite salt. Det är väldig igt vikt igt att den som har magsju juka får i sig vä tska, och det är väl digt viktigt att det finnsn lag agom myc ycket salt i den. Men pojk jken fick int nte väts tske keer ersä ttning. Istället fick han sin van anliga mat : br öst- mjölksersätt ning ng. Det är ett pulve ver som ma n blandar med vatt tten. Sp ädbarn kan dri cka blandnin gen istället för bröstmj mjöl k. Men för ör- äldr ar na tog dubbelt så mycket pul ver som ma n ska. De läst e på paketet att öv erdose- ring kan ge trög mage och de troddede att de sk ullele kun na stoppa diarrén på det sättet. t. Bl odet blev saltare och saltare och krop- pen reager ade med ännu värrere diarré. Den lille pojken fick så svår vätskebrist att han var nä ra att dö. Men läkaren kom på vad som var felet och räddade livet på hon onom om. Man kan köpa vätskeersättning som ett färdigt pulver på apoteket eller i en del mataffärer, men man kan också blanda den själv. I vätskeersättningen måste det finnas lagom mycket salt, och det är viktigt vilken sorts salt det är. Det får inte vara kaliumklorid, som finns i mineralsalt. Vilket recept skulle du helst använda för att göra en så bra vätskeersättning som möjligt? Varför tycker du att det receptet är bäst? A: Recept på hemmagjord vätskeersättning (om man inte har vätske ersättning hemma eller jourapotek och livsmedelsaffär är stängda): 1 liter vatten 6 teskedar (= 30 ml) socker eller druvsocker ½ tesked (= 2,5 ml) = 2 kryddmått salt Varning: Högre koncentration av salt kan vara skadligt för barnet! Var noga vid tillredningen. C: Om man inte har tillgång till affär eller apotek där vätskeersättning säljs kan man behöva blanda den själv. Det är viktigt att man inte tar för mycket salt och att man använder vanligt koksalt, natriumklorid, inte örtsalt. Det är mycket viktigt att proportionerna blir rätt. Smaka på lösningen innan barnet får den. Man ska bara ana saltsmaken som tårar. 1 liter vatten 6 teskedsmått strösocker (1 tesked = 5 ml) ½ teskedsmått salt B: Vätskeersättning finns att köpa på apoteket, vilket är det enklaste, men går också att blanda själv. OBS! var noga med måtten, framförallt saltmängden får inte vara för stor. Smaka helst på ersättningen innan ni ger det till barnet så att ni inte råkat blanda ihop salt och socker. En liter vatten (behöver i Sverige inte vara kokt, däremot är ljummet skonsammast för magen) 2 matskedar socker ½ tesked (struken) salt (måste vara vanligt salt)

8 5. JONFÖRENINGAR 5. JONFÖRENINGAR Röda stugor finns det gott om i Sverige, och väldigt många av dem är målade med Falu rödfärg. Den heter så därför att den innehåller röd järnoxid som man får som avfall från Falu koppargruva. 5.2 Metalloxider I Sverige finns det väldigt många röda stugor, som är målade med Falu rödfärg. Men varifrån kommer egentligen det röda i färgen? Vad händer när järn brinner? När kol brinner bildas koldioxid och när väte brinner bildas väteoxiden vatten. Men kan järn brinna? Ja, det kan det. Lättast går det om tunna järntrådar får brinna i ren syrgas. Då bildas framförallt en röd järnoxid som kallas hematit, Fe 2 O 3. Det är den som ger den röda färgen i Falu rödfärg. 4 Fe + 3 O 2 2 Fe 2 O 3 Om järnet istället brinner i luft får det inte lika mycket syre. Då bildas en svart järnoxid som kallas magnetit, Fe 3 O 4. FÖRDJUPNINGNG Järntråd kan brinna intensivt i syrgas. Då bildas järnoxiden hematit. Syre Här hittar du syre (O) i det periodiska systemet. När de blåmarkerade icke-metallerna bildar oxider blir det molekyler, men när de gulfärgade metallerna bildar oxider blir det jonföreningar. Metalloxider är jonföreningar Oxider av olika metaller är jonföreningar, precis som salter. Därför är de fasta ämnen. På det viset skiljer de sig från oxider av icke-metaller som oftast är gaser. Ett exempel är koldioxid. En oxid är en kemisk förening där syreatomer sitter ihop med något annat atomslag. Metalloxider är jonföreningar där positiva metalljoner sitter ihop med negativa oxidjoner. Här ser du en formelenhet av magnesiumoxid. 3 Fe + 2 O 2 Fe 3 O 4 I de flesta järnmalmer finns både hematit och magnetit. Om det är mest hematit kallas malmen blodstensmalm, och om det är mest magnetit kallas den svartmalm. Järn behöver inte brinna för att bilda järnoxid. Samma sak händer när järn rostar, men då går det mycket långsammare. RENA GREKISKAN Det hörs på namnet att järnoxiden magnetit är magnetisk. Precis som magneter har oxiden fått sitt namn från det gamla grekiska landskapet Magnesia, där grekerna hittade svartmalm för år sedan. Fast det finns en annan historia om namnet också. Den handlar om en grekisk herdepojke som hette Magnes. Han var ute och gick på berget Ida och märkte då hur järndubbarna på hans sandaler ibland sögs fast vid berget. Det berodde på att berget innehöll magnetit. Järnoxiden hematit har fått sitt namn från det grekiska ordet för blod, haima. Hematit som man hittar i naturen är oftast svartglänsande, men om man gör en repa i hematiten så får repan blodröd färg. Det är därför den heter som den gör

9 5. JONFÖRENINGAR 5. JONFÖRENINGAR Aluminiumoxid kan bli vackra ädelstenar Metallen aluminium kan reagera med syret i luften precis som järn. SAMMANFATTNING Fe Al 5.1 Salter vattenlösning. Om vattnet får avdunsta får man det rena saltet. Ett salt är en jonförening. Salter kan även bildas på andra sätt. saltet natriumklorid. sammansatt av flera atomer slutar oftast på -at eller -it, som sulfat och nitrit. salt från havet och från avlagringar av stensalt nere i marken. man gjuter saker av gips dras det in vattenmolekyler i kristallerna så att gipset stelnar. kalksten och marmor. Om man tror att en lösning innehåller silverjoner kan man droppa i lite koksaltlösning. Då bildas det en fällning av silverklorid. Här hittar du aluminium och järn i det periodiska systemet. 4 Al + 3 O 2 2 Al 2 O 3 Då bildas det en tunn hinna av aluminiumoxid som skyddar metallen, så att den inte fortsätter att reagera med syret. Men i jordens inre är det så hett att allt aluminium omvandlas till aluminiumoxid och blir en sorts sten som kallas korund. Aluminiummetall Ren korund är färglös och kan slipas till vackra ädelstenar. Fast mest populär är den när den innehåller små mängder av andra metalljoner som ger den färg. Kromjoner gör den röd och då kallas stenen rubin. Med titanjoner blir den en blå safir. Det finns många andra metalloxider i marken. I själva verket är det som vi kallar för sten till största delen olika metalloxider. Vi använder de metalloxiderna för att få fram metaller. Först bryter vi oxiderna i gruvor. Sedan använder vi kemiska metoder för att ta bort syrejonerna och få fram ren metall. Aluminiumoxid Alumini Aluminiumoxid Saker av aluminium täcks av ett tunt oxidskikt som hindrar att resten av metallen reagerar med syret i luften. 5.2 Metalloxider byggda av atomer och är ofta gaser. Oxider av metaller är byggda av joner och är fasta ämnen. reagera med syre. I jordens inre kan hela aluminumklumpar reagera med syre och bilda ädelstenar. oxiderna i gruvor och omvandlar dem sedan till rena metaller med kemiska metoder. Bildtext Bildtext Bildtext Rubiner och safirer är olika varianter av aluminiumoxiden korund. TESTA DIG SJÄLV 5.2 FÖRKLARA BEGREPPEN oxidjon hematit magnetit aluminiumoxid 1. Ge exempel på skillnader mellan metalloxider och icke-metalloxider. 2. Beskriv hur metalloxider är uppbyggda. 3. Både järn och aluminium kan omvandlas till oxider. Men saker av aluminium håller mycket längre än saker av järn. Vad beror det på?

10 finalen 1 Vilka av följande ämnen är inte jonföreningar? A Rost B Ozon C Koksalt D Gips 2 Para ihop alternativ A E med rätt siffra. 1 Gips 2 Koksalt 3 Rost 4 Salmiak 5 Skolkrita 3 Alva: Både farmor och mormor säger att det är farligt med för mycket salt. Natriumklorid Kalciumkarbonat Kalciumsulfat Ammoniumklorid Järnoxid b) A magnetit B rubin C neon D hematit Vilka påståenden är sanna och vilka är falska? Motivera. A B C D E F G 118 A B C D E Fyra klasskamrater diskuterar varför man inte ska ha för mycket salt i maten. Benjamin: Forskarna har visat att mycket salt ökar risken för sjukdomar i hjärtat och blodkärlen. Cornelia: Maten smakar illa om man saltar för mycket. Devin: Det stod i tidningen att för mycket salt är skadligt för kroppen. Vilken ska bort? Förklara varför. a) A aluminiumoxid B salmiak C koldioxid D koksalt 4 E Vatten F Rubin G Luft H Koldioxid 7 Vem av dem säger ett naturvetenskapligt påstående? Motivera varför det påståendet är naturvetenskapligt. 8 Marcus jobbar på en miljöorganisation. Han är ute på en skola och pratar om återvinning. När han frågar eleverna varför det är viktigt att panta aluminiumburkar får han följande svar: Koksalt består av natriumkloridmolekyler. Salter kan bildas genom många olika kemiska reaktioner. Gips är en form av aluminiumoxid. Metalloxider är molekylföreningar. Vi har ingen nytta av metalloxiderna som finns i marken. Människor har salt inne i kroppen. Järn kan brinna. 5 Salter och metalloxider har inget med atomer att göra, påstår Liam. De är ju byggda av joner. Du har fel, säger Tilda. De kommer ändå från atomer på sätt och vis. Förklara vad Tilda menar. 6 Vilken kemisk förening kan man använda för att ta bort halka från vägarna på vintern? Varför kan den ta bort halka? Vilka nackdelar finns det med att använda den? Vilka nackdelar finns det om man inte använder den? A B C D Det blir skräpigt om man slänger burkarna på marken. Man får pengar när man pantar. Man kan ta tillvara metallen i burkarna och göra nya burkar. Det är meningslöst att panta, för burkarna är så hoptryckta att de inte kan användas igen. a) Vilket eller vilka påståenden har naturvetenskaplig grund? Använd dina kunskaper i kemi och förklara varför. b) Ordna påståendena efter hur viktiga du tycker att de är. c) Brukar du panta burkar? Varför/varför inte? 9 Om det finns salt i vatten så gör det att vattnet får en lägre smältpunkt och inte fryser förrän det blir under noll grader. Tror du att saltet påverkar kokpunkten också? Tänk ut hur du skulle kunna göra en naturvetenskaplig undersökning för att pröva det. Du ska också undersöka om det spelar någon roll hur mycket salt det finns i vattnet. 119

11 10. KOL OCH FÖRBRÄNNING 10. KOL OCH FÖRBRÄNNING Här hittar du kol i det periodiska systemet. C 10.1 Det finns många former av kol Fotbollsmolekyler, grafen och nanorör det är ämnen med lite speciella namn som vi kommer att få väldigt stor nytta av. Bättre läkemedel och supersnabba datorer är några exempel på vad de kan hjälpa oss med. Och ändå är de bara olika former av grundämnet kol! Kolatomer kan sitta ihop på många olika sätt Du vet redan att kolatomer kan ingå i många miljoner organiska föreningar. Men dessutom finns det flera olika former av grundämnet kol. Allesammans är helt byggda av kolatomer, men atomerna sitter ihop i molekyler med olika form. I det här avsnittet ska vi titta på diamant, grafit, amorft kol (till exempel träkol), fullerener och grafen. Så här sitter kolatomerna ihop i diamant. Diamant I en diamant sitter alla kolatomerna ihop hårt i ett tredimensionellt nätverk. De bildar en enda jättemolekyl, en kristall. Att atomerna sitter ihop på det här sättet gör diamant till världens hårdaste ämne. Därför används det i borrar och när man skär glas. Dessutom kan man slipa diamanten till en vacker form och använda den i smycken. Grafit I grafit sitter atomerna ihop i platta skikt. Varje sådant skikt är en egen molekyl. De olika skikten hålls bara ihop av svaga krafter och kan lätt glida längs varandra. Därför är grafit ett mjukt ämne. Det smetar lätt av sig och används bland annat som stift i blyertspennor. Det är därför det har fått namnet grafit. Det grekiska ordet grafein betyder nämligen skriva. Grafit blir diamant som blir grafit igen Vid högt tryck och hög temperatur kan grafit faktiskt omvandlas till diamant. Så har alla naturliga diamanter bildats i jordens inre. Under 1900-talet kom forskare på hur man kan tillverka konstgjorda diamanter genom att härma förhållandena inne i jorden. Man skulle kunna tro att diamant är den mest stabila formen av kol eftersom den är så hård. Men det stämmer inte. Vid vanlig temperatur och vanligt tryck förvandlas en diamant långsamt till grafit, även om det tar tusentals år. De vackra diamanterna är faktiskt inget annat än rent kol. Så här sitter kolatomerna ihop i grafit

12 10. KOL OCH FÖRBRÄNNING 10. KOL OCH FÖRBRÄNNING Fullerener Diamant, grafit och amorft kol har vi människor känt till i många hundra år. Men från 1985 och framåt har forskarna upptäckt flera nya former av grundämnet kol. Fotbollsmolekyler är ämnen där 5- och 6-hörningar av kolatomer sitter ihop i en molekyl som är formad som en fotboll. Nanorör är också byggda av 6-hörningar, men här bildar varje molekyl ett smalt rör. Rören är väldigt starka och kan dessutom leda elektricitet. Fotbollsmolekyler och nanorör kallas tillsammans för fullerener. En fotbollsmolekyl. Kolarna på bilden använde kemi för att tillverka träkol i så kallade kolmilor. En poet skrev så här om deras liv: Vi ha eld, vi ha kött, vi ha brännvin till tröst, här är helg, djupt i skogarnas ro. De lade trä i en stor hög och täckte över med gräs och sand. Sedan tände de på. Men träet brann inte upp eftersom syrgasen i luften inte kunde komma åt det. Istället förvandlades det till träkol. Träkol är amorft kol I grafit och diamant sitter kolatomerna i bestämda mönster. Men det finns också kol där atomerna ligger huller om buller. Det kallas amorft kol. Ordet amorf betyder formlös. Träkol är ett vanligt exempel. Det används bland annat när man grillar eftersom det är lätt att tända, glöder bra och ger hög värme. Aktivt kol är korn av amorft kol. I kornen finns det små hål som gör att kolet får en väldigt stor yta där andra ämnen kan absorberas ( sugas fast ). Därför används aktivt kol för att ta bort föroreningar av olika slag. Tänk dig till exempel att ett litet barn har hittat en medicinburk och stoppat i sig farlig medicin. Då kan en läkare låta barnet svälja aktivt kol som suger åt sig medicinen. Aktivt kol används även i gasmasker, eftersom det kan absorbera giftiga gaser. Grafen En molekyl av grafen (uttalas grafén) är ett enda mycket tunt skikt av 6-hörningar av kolatomer. Molekylen ser alltså ut som ett enstaka skikt av grafit, men grafen har ändå helt unika egenskaper. Det beror på att molekylen är väldigt tunn, och att den inte påverkas av några andra skikt, som i grafit. Därför är materialet genomskinligt och 200 gånger starkare än stål. Dessutom är det formbart och kan leda elektricitet mycket bra. Fastän det är så tunt, är det ogenomträngligt för gaser och vätskor. Ett nanorör. Ett skikt av grafen

13 10. KOL OCH FÖRBRÄNNING 10. KOL OCH FÖRBRÄNNING Den här kupolen ser lite grann ut som en fotbollsmolekyl av kol. Arkitekten Buckminster Fuller ritade kupolbyggnaden till världsutställningen i Montreal När forskarna på 1980-talet upptäckte den allra första fotbollsmolekylen döpte de den därför till buckminsterfulleren. Senare började man använda namnet fullerener om alla fotbollsmolekyler och nanorör De fossila bränslena börjar ta slut Det hörs på namnet att vi kan förbränna fossila bränslen för att värma hus, driva bilar eller skapa elektricitet i kraftverk. Dessutom använder vi dem som råvaror till en mängd viktiga saker från plast till kosmetika. Men nu börjar de fossila bränslena ta slut, så forskarna måste hitta något vi kan använda istället. Det verkar som om vi kommer att få stor nytta av de nyupptäckta formerna av kol. De kanske kommer att användas i snabbare och mindre datorer, bildskärmar som är tunna och böjliga som ett papper, starkare plastmaterial och nya läkemedel mot virussjukdomar. Några forskare har till och med sett tecken på att fotbollsmolekyler kan förlänga livet på djur, så att de kan bli nästan dubbelt så gamla som normalt. Om det stämmer, beror det förmodligen på att fotbollsmolekylerna skyddar djuren mot fria radikaler. Men det behövs mycket mer forskning för att visa om det verkligen fungerar. TESTA DIG SJÄLV 10.1 FÖRKLARA BEGREPPEN diamant grafit amorft kol aktivt kol fotbollsmolekyler nanorör fullerener grafen 1. Vad används grafit och diamant till? Vilka egenskaper är viktiga då? 2. Berätta lite om vad de nyupptäckta formerna av kol kan komma att användas till. Vilka egenskaper hos dem kan vara till nytta då? Stenkol, olja och naturgas är fossila bränslen Kommer du ihåg att kolväten är organiska föreningar som bara innehåller kolatomer och väteatomer? Den största delen av de kolväten som vi använder kommer från fossila bränslen som finns djupt nere i marken. Det finns tre huvudtyper av fossila bränslen stenkol, olja och naturgas. Bränslena är rester av djur och växter som dog för miljontals år sedan. En del djur och växter hamnade på botten i hav, sjöar och träsk. Där var det brist på syre, och det gjorde att de inte kunde förmultna helt. Med tiden utsattes djur- och växtdelarna för högt tryck och hög temperatur. Olika kemiska reaktioner förvandlade dem sakta till kolväten. Det som avgjorde om det blev stenkol, råolja eller naturgas var bland annat temperaturen. Det har tagit enorm tid för de fossila bränslena att bildas. Nu förbrukar vi dem i mycket snabbare takt än det kan bildas nya. Därför kommer de fossila bränslena så småningom att ta slut. Dessutom är koldioxid från de fossila bränslena den viktigaste orsaken till den ökande växthuseffekten. Det finns alltså flera skäl till att vi måste hitta alternativa energikällor. En kemisk reaktion är när ämnen förvandlas till nya ämnen. Stenkol var för miljontals år sedan gröna växter. Att bryta kolet i djupa gruvor är ett hårt arbete

14 1 0. KOL O C H FÖ R B R Ä NNI NG 10. KO L O CH FÖ R BR Ä N N I N G Naturgas Naturgas är en blandning av olika gasformiga kolväten, framför allt metan. I Sverige använder vi inte så mycket naturgas, men i hela världen står den för ungefär en femtedel av energin. Den kan användas i gaskraftverk för att få elektricitet men också i industrier och värmepannor. Dessutom kan den driva bilar och bussar. I Göteborg och Malmö går en stor del av stadsbussarna på naturgas. Traktorn gräver upp torv på en torvmosse. Marken blir ful efteråt, men det är lag på att den som har grävt upp torven måste bearbeta marken så att den blir fin igen Råolja Det fossila bränsle som vi använder mest är råolja. Det är en blandning av många olika kolväten. De flesta är mättade, men det finns även en del omättade. Innan vi kan använda råoljan måste vi först dela upp kolvätena i olika grupper. I varje grupp har kolvätena liknande egenskaper. De olika grupperna används sedan till olika saker, som bensin, eldningsolja eller asfalt. Uppdelningen av råoljan görs i en industrianläggning som kallas oljeraffinaderi. Ordet raffinera betyder förädla eller rena. Kanada Ryssland Kazakstan Irak Kuwait Libyen Saudiarabien Venezuela Stenkol och torv Stenkol är en blandning av amorft kol och omättade kolväten med många dubbel- och trippelbindningar. I Sverige använder vi inte så mycket stenkol, men i världen som helhet kommer % av energin från det. Framför allt eldar man med stenkol i kolkraftverk för att få elektricitet. På sätt och vis kan man säga att torv är en yngre form av stenkol, ett slags baby-stenkol. Torv är växtrester från våtmarker som bara har förmultnat delvis, men inte pressats ihop under högt tryck. Om torven fick många miljoner år på sig skulle den också omvandlas till stenkol. Torv och stenkol har använts som bränsle i flera hundra år. Det var först i mitten av 1900-talet som olja blev det allra viktigaste bränslet. 252 Nigeria Iran Qatar Förenade Arabemiraten Oljan destilleras Eftersom de olika kolvätena har olika kokpunkt är destillation en bra separationsmetod. Först hettas oljan upp så mycket att alla kolväten blir till gas. Sedan leds gasen in längst ner i ett högt torn där den får stiga uppåt. Den blir kallare ju högre upp den kommer. Eftersom de stora kolvätemolekylerna har hög kokpunkt, kondenserar de till vätska redan vid tornets botten. De mindre kolvätena har lägre kokpunkt och kondenserar högre upp i tornet. På det här sättet delas oljan upp i grupper av kolväten. Grupperna kallas fraktioner och hela metoden kallas fraktionerad destillation. Det här är de länder i världen som har de största kända oljefyndigheterna. Eftersom oljan är så viktig för oss, har den flera gånger varit en bidragande orsak till krig. Kondensera betyder att en gas blir vätska. Kokpunkten för en vätska är den temperatur när den börjar koka. Men det är också den temperatur när den gas som har bildats av vätskan börjar kondensera och bli vätska igen. 253

15 1 0. KOL O C H FÖ R B R Ä NNI NG 10. KO L O CH FÖ R BR Ä N N I N G 20 C Gaser 170 C Bensin 220 C Fotogen 300 C 350 C Dieselolja och lätt eldningsolja Tung eldningsolja och smörjolja Råolja Asfalt och paraffin 400 C Så här ser destillationstornet ut i verkligheten. I ett sådant här torn skiljer man de olika kolvätena i råoljan åt. Asfalt och paraffin Längst ner i tornet kondenserar stora kolväten, med mer än 40 kolatomer. Från den fraktionen får vi till exempel asfalt och paraffin. Asfalt används framför allt som vägbeläggning. Då är kolvätena uppblandade med grus. Paraffin består av lite mindre kolväten än asfalt och används bland annat i hudvårdsprodukter. Smörjolja, eldningsolja och dieselolja Smörjolja används till att smörja maskiner och motorer. Från samma fraktion får vi även eldningsolja. Den används i industrier och för att värma upp bostadshus. Dieselolja används som bränsle i dieselmotorer i lok, båtar, bussar, lastbilar och personbilar. 254 Fotogen och bensin Att fotogen används i fotogenlampor känner du nog till. Men den allra största delen av den här fraktionen blir faktiskt bränsle i jetplan. När man på 1800-talet började ta fram råolja ur marken var det bara lampfotogen man ville ha. Resten av oljan eldades upp utan att energin togs till vara. Det här ändrades kring år Då fick bilen sitt genombrott och behovet av bensin ökade snabbt. Sedan dess har den viktigaste och mest värdefulla fraktionen varit bensin. Den består av både raka och grenade kolväten med 5 10 kolatomer. Bensin används inte bara i bilar, utan även i propellerflygplan och till kemtvätt. Högst upp kommer gaserna ut Högst upp i destillationstornet kommer det ut kolväten som inte har blivit till vätska. Det är de gasformiga kolvätena med 1 4 kolatomer. Framför allt är det propan och butan, som används som gasol i brännare. Från början var de upplösta i råoljan, men vid destillationen blir de en egen fraktion. Krackning ger mer bensin För att vi ska få tillräckligt mycket bensin räcker det inte att bara separera råoljan. Den innehåller för lite av de lagom långa kolvätena. Därför använder raffinaderierna en metod för att slå sönder större kolvätemolekyler så att de blir 5 10 kolatomer långa. Metoden kallas krackning efter det engelska ordet crack som betyder slå sönder. Fotogen ger ett stämningsfullt varmt ljus en kontrast till våra dagars energisparlampor och lysrör. Långa kolväten kan slås sönder till kortare. På så sätt kan vi få mer bensin, det vill säga kolväten med 5 10 kolatomer. 255

16 10. KOL OCH FÖRBRÄNNING 10. KOL OCH FÖRBRÄNNING Av råoljan gör vi plast och läkemedel Det allra mesta av de oljefraktioner som vi får fram använder vi som bränsle i bilar, flygplan, värmepannor och kraftverk. Men en del används också som råvaror till andra ämnen och material. Till exempel tillverkas de allra flesta plaster av ämnen som kommer från råolja. Kosmetika, rengöringsmedel och vissa läkemedel är andra exempel. Eftersom råoljan börjar ta slut, är det förstås viktigt att vi kan hitta nya råvaror för sådan tillverkning. En del av lösningen blir förmodligen att använda råvaror från växter. En annan viktig del blir säkert så kallad bioteknik, där forskarna förändrar bakterier så att de tillverkar kolväten och andra användbara ämnen Kolets kretslopp Kolatomerna på jorden vandrar runt i ett kretslopp mellan luft, växter, människor och djur. Och det är verkligen tur, för annars skulle livet på jorden ha tagit slut för länge sedan. När vi eldar frigörs det energi Det finns många olika former av energi. Ljusenergi, värmeenergi och rörelseenergi är några exempel. En annan typ av energi är kemisk energi. Den finns i alla kemiska ämnen. Man kan säga att energin är lagrad i molekylernas bindningar. När vi eldar ett bränsle bryts bindningarna och då frigörs den lagrade energin. Energi kan aldrig försvinna. Däremot kan en viss energiform omvandlas till en annan. När vi eldar ett bränsle frigörs den kemiska energin i bränslet och förvandlas till värmeenergi och ljusenergi. Värmen kan sedan omvandlas till rörelseenergi, till exempel i en bilmotor. Den amerikanske forskaren Craig Venter specialdesignar bakterier så att de tillverkar produkter som kan ersätta fossila bränslen. Bilden till höger visar bakterien X TESTA DIG SJÄLV 10.2 FÖRKLARA BEGREPPEN fossila bränslen naturgas gaskraftverk stenkol kolkraftverk torv råolja oljeraffinaderi fraktion fraktionerad destillation asfalt paraffin smörjolja eldningsolja dieselolja fotogen bensin gasformiga kolväten gasol krackning Fotosyntesen fångar solenergi Det finns två typer av kemiska reaktioner. Det vanligaste är att ämnena får mindre energi efter reaktionen, som vid förbränning. Men det finns också reaktioner där energin i ämnena ökar. För att en sådan reaktion ska kunna ske måste det tillföras energi utifrån. Fotosyntesen är ett viktigt exempel på en reaktion där energin i ämnena ökar. Växterna använder solenergi för att bygga om de energifattiga ämnena koldioxid och vatten till energirik glukos. Vi kan sammanfatta det så här: De gröna växterna är världens bästa solfångare. De fångar upp energin i solljuset och lagrar den som kemisk energi i glukos. 6 CO H 2 O + solenergi C 6 H 12 O O 2 1. Varför håller de fossila bränslena på att ta slut, och vilka problem kan det ge? Koldioxid Vatten Glukos Syrgas Växtcell