9789147085910 by Smakprov Media AB

KEMIBOKEN 2 är anpassad till Gy2011. Det första kapitlet är nästan helt nyskrivet och behandlar kemins karaktär och arbetssätt. Kapitel 4 innehåller exempel på jämvikter i olika miljöer. Kapitel 5, som tar upp den organiska kemin, lyfter tydligare fram ”det organiska stamträdet”. Den analytiska kemin har sammanställts i ett eget kapitel, kapitel 9, och utökats med metoder inom bioteknik. KEMIBOKEN 2 har i alla avseenden omarbetats för att passa en bredare målgrupp. Kemin är lättillgänglig, språket är vardagligt och berättande.

KEMIBOKEN

HANS BORÉN MONIKA LARSSON BIRGITTA LINDH JOHANNA LUNDSTRÖM MAUD RAGNARSSON STEN-ÅKE SUNDKVIST

Boken innehåller följande kapitel: • Kemins karaktär och arbetssätt • Reaktioners hastighet och riktning • Kemisk jämvikt • Jämviktssystem i olika miljöer • Organiska ämnen innehåller kol • Hur reaktioner sker – reaktionsmekanismer • Biomolekyler – livets stora molekyler • Processer i människokroppen • Analytisk kemi Boken kan användas på gymnasiet, komvux och tekniskt-naturvetenskapligt basår. I serien ingår KEMIBOKEN 1 och KEMIBOKEN 2.

Best.nr 47-08591-0 Tryck.nr 47-08591-0

4708591_omslag.indd 1

2012-05-11 08.43

KEMIBOKEN

HANS BORÉN MONIKA LARSSON BIRGITTA LINDH JOHANNA LUNDSTRÖM MAUD RAGNARSSON STEN-ÅKE SUNDKVIST

LIBER

001-006 4708591_Framvagn.indd 1

2012-05-11 08.54

Bildförteckning Siffrorna anger sida och bildens placering på sidan Omslag Konrad Wothe/LOOK-foto/IBL Bildbyrå Geof Tomplinson/Science Photo Library/ IBL Bildbyrå National Library of Medicine/Photo Researchers/IBL Bildbyrå Science Photo Library/IBL Bildbyrå 7 Roberto Fumagalli/Alamy 8 (1) Liber 8 (2) SL 9 (1) Science Source/Photo Researchers/ IBL Bildbyrå 9 (2) National Library of Medicine/Photo Researchers/IBL Bildbyrå 9 (3) Rob Walls/Alamy 10 Erik Huss/Kungliga Vetenskapsakademien 11 Christina Quicler/AFP/Scanpix 15 DeLaval 16 Andrew Lambert Photography/ Science Photo Library/IBL Bildbyrå 17 Roche Diagnostics Scandinavia AB 18 Alain Pol/ISM/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 20 Swedac 21 Björn Larsson Ask/SvD/Scanpix 22 Jacob Felländer 25 BSIP/Phototake/Alamy 27 Gaertner/Alamy 28 Ryan Pierse/Getty Images 34 Ints Kalnins/Reuters/Scanpix 37 blickwinkel/Alamy 38 Mikael Svonni: Samisk-svensk, svensk-samisk Ordbok, Sámi Girjjit, Jokkmokk 1990 51 Pilar Olivares/Reuters/Scanpix 55 Jurek Holzer/Scanpix 59 allOver photography/Alamy 65 (1) Malmö Museer/IBL Bildbyrå 65 (2) Roger Eskilsson/IBL Bildbyrå 66 Ahlgrens Bilar 71 Jennie Segerberg/Scanpix 79 John Downer/Exclusivepix/Scanpix 81 Alf Linderheim/IBL Bildbyrå 83 Ethno Images/Pierre Roussel/Alamy 84 (1) Göran Gustafson/Scanpix 84 (2) Martyn F. Chillmaid/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 85 Ian Berry/Magnum Photos/IBL Bildbyrå 88 André Maslennikov/IBL Bildbyrå 90 (1) Alan Stone/Alamy 90 (2) Nature Picture Library/IBL Bildbyrå 91 Emily Harris/Bloomberg via Getty Images 93 (1) Joerg Lange/vario images/Alamy 93 (2) Björn Larsson Ask/SvD/Scanpix

346-352 4708591_Tabeller o Sakregister.indd 352

94 96 97 99 100

Åke Nilsson Peter Gerdehag/Folio Bildbyrå Science Source/IBL Bildbyrå Stig Hammarstedt/Scanpix Ullstein Bild - Süddeutsche Zeitung Photo/Scherl 103 Michael Donne/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 107 Paul Strehlenert 109 Bridgeman Art Library/IBL Bildbyrå 110 Thomas Ögren/Preem 119 Bloomberry via Getty Images 123 Scott T. Smith/Corbis/Scanpix 126 OsborneStock/Alamy 128 IBL Bildbyrå 130 Tommy Svensson/DN/Scanpix 131 Jan Gustafson-Berge 135 Thure Wikberg/Scanpix 137 Rischgitz/Getty Images 139 © Nemi A/S / Distr. Bulls 140 (1) Natural History Museum, London/ Science Photo Library/IBL Bildbyrå 140 (2) Photodisc 143 Anders Engman 144 Charles D. Winters/Photo Researchers/IBL Bildbyrå 147 Photodisc 148 (1) Scott & Camazine & Kirk Visscher/ Photo Researchers/IBL Bildbyrå 148 (2) Konrad Wothe/LOOK-foto/IBL Bildbyrå 153 (1) Mirijan Murat/DPA/IBL Bildbyrå 153 (2) Photodisc 159 Mark Memeth/Alamy 162 david tipling/Alamy 164 Roine Karlsson/Scanpix 173 Gavriel Jecan/age fotostock/IBL Bildbyrå 176 Norbert Schaefer/vario images/Alamy 180 Photocuisine/Alamy 187 ANIMATE4/Science Photo Library/ IBL Bildbyrå 190 Jack Mikrut/Scanpix 192 (1) Yvonne Åsell/SvD/Scanpix 192 (2) Jörgen Wiklund/ Naturfotograferna/IBL Bildbyrå 193 Gerry K. Smith/Nature Picture Library/IBL Bildbyrå 194 (1) Rex Features/IBL Bildbyrå 194 (2) Kristofer Vamling 197 Philippe Ciement/Nature Picture Library/IBL Bildbyrå 198 Steve Gschmeissner/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 199 Matthias Hauser/imagebroker/Alamy 201 (1) Rolf Christensen/Scanpix 201 (2) Steve Gschmeissner/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 206 KPA/Hecht/United Archives GmbH/ Alamy 208 Dr. Stanley Flegler/Visuals Unlimited/Corbis/Scanpix 211 Dr. M.A. Ansary/Science Photo Library/IBL Bildbyrå

213 (1) Anders Good/IBL Bildbyrå 213 (2) Leif R. Jansson 218 Supplied by Edvotek Europe Ltd. 223 Jellyfish Pictures/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 228 (1) George Silk/Time & Life Pictures/ Getty Images 228 (2) Science & Society Picture Library/ Getty Images 234 (2) Thomas Deerinck, NCMIR/ Science Photo Library/IBL Bildbyrå 235 Image courtesy SLAC National Accelerator Laboratory 241 Pasieka/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 242 Makoto Iwafuji/Eurelios/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 245 Travelart/Alamy 246 Jeppe Gustafsson/Scanpix 251 Ingo Arndt/Minden Pictures/Scanpix 252 Malin Hellberg/Scanpix 258 Thomas Deerinck/NCMIR/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 262 Hossler/Custom Medical Stock Photo/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 267 J.C. Revy/ISM/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 268 Janerik Henriksson/Scanpix 269 Mick Tsikas/Reuters/Scanpix 272 Science Photo Library/IBL Bildbyrå 273 Ben Radford/Corbis/Scanpix 276 Geof Tomplinson/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 280 CDC/PHIL/Corbis/Scanpix 282 Göran Lindh 283 Torbjörn Lilja/Naturfotograferna/ IBL Bildbyrå 289 Stewen Quigley/Capio 291 Science Photo Library/IBL Bildbyrå 293 Issouf Sanogo/AFP/Scanpix 295 Courtesy of Crown © FERA/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 298 Sara Sadi, Roger Karlsson/Avdelning för cellbiologi, WGI/Stockholms Universitet 300 (1) Food Features/Alamy 300 (2) Peter Menzel/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 302 © DNA-Guide Europe AB, 2012 303 (1) Patrick Dumas/Eurelios/Science Photo Library/IBL Bildbyrå 303 (2) Pasieka/Science Photo Library/IBL Bildbyrå Foto på sidorna 14, 54, 92, 111, 113, 114, 121, 145, 151, 172, 178, 207, 214, 227 Nina Rökaeus Teckningar Cecilia Frank, Per Werner Schulze, Cecilia Lorentzon

2012-05-11 10.45

ISBN 978-91-47-08591-0 © 2012 Hans Borén, Monika Larsson, Birgitta Lindh, Johanna Lundström, Maud Ragnarsson, Sten-Åke Sundkvist och Liber AB Redaktör Eva-Lisa Nordmark Formgivare Eva Jerkeman Bildredaktör Inga-Britt Liljeroth Faktor Adam Dahl Femte upplagan 1 Repro Repro 8 AB, Stockholm Tryck Sahara Printing, Egypten 2012

Kopieringsförbud Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och elevers rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUSavtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningssamordnare, t.ex. kommuner och universitet. Intrång i upphovsmannens rättigheter enligt upphovsrättslagen kan medföra straff (böter eller fängelse), skadestånd och beslag/förstöring av olovligt framställt material. Såväl analog som digital kopiering regleras i BONUS-avtalet. Läs mer på www.bonuspresskopia.se. Liber AB 113 98 Stockholm tfn: 08-690 90 00 www.liber.se Kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08-690 93 01 e-post: kundservice.liber@liber.se

001-006 4708591_Framvagn.indd 2

2012-05-11 08.54

FÖRORD Kemiboken 2 är anpassad till ämnesplanen för Kemi 2 och är en omarbetad och delvis nyskriven version av föregångaren Kemiboken B. I Skolverkets ämnesplan för kemiundervisningen anges fem mål som ska bedömas enligt kunskapskraven för Kemi 2. Två av dessa mål har i Kemiboken 2 betonats jämfört med tidigare versioner. Det är målen ”Kunskaper om kemins betydelse för individ och samhälle” och ”Förmåga att använda kunskaper i kemi för att kommunicera samt för att granska och använda information”. Innehåll från ”LÄS MER”-rutorna, som fanns i Kemiboken B, är därför inlagda i den vanliga texten. Experimentet i centrum

Liksom i tidigare upplagor av Kemiboken spelar experiment en framträdande roll i Kemiboken 2. Nästan alla kapitel har i inledningen eller i början på nya avsnitt förslag till demonstrationsexperiment. I slutet av boken finns instruktioner till 24 elevlaborationer. Laborationer och demonstrationsexperiment används för att skapa intresse och förståelse. Många resonemang i texten utgår också från experiment. Bokens upplägg

Boken följer i huvudsak strukturen för hur det centrala innehållet för kursen Kemi 2 är upplagt. Det första kapitlet är nästan helt nyskrivet och behandlar kemins karaktär och arbetssätt. Kapitel 4 innehåller exempel på jämvikter i olika miljöer. Kapitel 5, som tar upp den organiska kemin, lyfter tydligare fram ”det organiska stamträdet”. Den analytiska kemin har sammanställts i ett eget kapitel, kapitel 9, och utökats med metoder inom bioteknik. Kapitel 9 kan läsas sammanhängande eller i olika omgångar t.ex. tillsammans med kapitel 4, 5 eller 7. Under Experiment finns demonstrationer som kan användas för att belysa begrepp som behandlas i kapitlet. Varje kapitel avslutas med Sammanfattning och en lista över Begrepp samt Uppgifter av varierande svårighetsgrad. Punkterna i sammanfattningarna och ordningsföljden av uppgifterna följer i huvudsak innehållet i kapitlen. Laborationer har en egen avdelning i slutet av boken och näst längst bak finns Facit med utförliga svar till uppgifterna. Allra sist finns ett Sakregister. Författarna

001-006 4708591_Framvagn.indd 3

2012-05-11 08.54

INNEHÅLL 1 Kemins karaktär och arbetssätt 7 Modeller hjälper oss att förstå verkligheten 8 Vetenskaplighet 11 Vad kemister gör 13 Etik och ansvar 21 Uppgifter 24

2 Reaktioners hastighet och riktning 25 Reaktioners hastigheter 26 Reaktioners riktning 30 Reaktioner på molekylnivå 32 Uppgifter 36

3 Kemisk jämvikt 37 Jämviktslägen 38 Jämviktsekvationen 41 Beräkning av jämviktskonstanter 44 Beräkning av koncentrationer vid jämvikt 46 Förskjutning av jämviktslägen 49 Jämvikter i sura och basiska lösningar 56 Vattnets jonprodukt är ett jämviktsuttryck 57 Syra- och baskonstanter 58 En titrerkurva visar protolysreaktionens förlopp 67 Indikatorval 73 Uppgifter 76

4 Jämviktssystem i olika miljöer 79 Homogena och heterogena jämvikter 80 Löslighet 83 Jämvikter i olika miljöer 94 Uppgifter 106

5 Organiska ämnen innehåller kol 107 Kolföreningars mångfald 108 Alkaner – kolväten med enkelbindningar 112 Alkener – kolväten med dubbelbindningar 119 Alkyner – kolväten med trippelbindningar 123 Arener – föreningar med bensenstruktur 124 Haloalkaner 126 Funktionella grupper – kemistens handtag 128 Aminer 129 Alkoholer 131 Oxidation av alkoholer ger karbonylföreningar 138 Karboxylsyror 141 Estrar 145 Flerfunktionella föreningar 149 Isomeri – sammanfattning 154 Uppgifter 157

001-006 4708591_Framvagn.indd 4

2012-05-11 08.54

6 Hur reaktioner sker – reaktionsmekanismer 159 Reaktionsmekanismer beskriver elektroners rörelser i kemiska reaktioner 160 Reaktiviteten beror på strukturen 164 Aminers och karboxylsyrors löslighet påverkas av pH-värdet 169 Reaktionsmekanismer vid organisk syntes 172 Uppgifter 186

Bärarmolekyler i metabolismen 249 Glukosens metabolism i cellerna 251 Citronsyracykeln sker vid god tillgång på syre 257 Andningskedjan ger ATP 259 ATP-utbyte vid fullständig nedbrytning av glukos 261 Nedbrytning av fett 262 Aminosyror i överskott omvandlas eller bryts ner 263 Uppgifter 265

7 Biomolekyler – livets stora molekyler 187 Biomolekyler – cellens byggstenar 188 Kolhydrater 189 Lipider 197 Proteiner 201 Aminosyror – proteinernas byggstenar 203 Nukleinsyror – arvets molekyler 215 Uppgifter 221

9 Analytisk kemi 267 Kvaliteten på en analys 268 Analys av oorganiska ämnen – några metoder 271 Analys av organiska ämnen med kromatografi 275 Analys av organiska ämnen med spektroskopi 283 Analys av proteiner 292 Analys av DNA 299 Uppgifter 306

Laborationer 308 8 Processer i människokroppen 223 Enzymer gör livets reaktioner möjliga 224 Metabolism – anabola och katabola processer 230 Den centrala dogmen – från DNA till protein 233 Energiomvandlingar i celler – från näringsämnen till koldioxid och vatten 243

Svar till uppgifterna 333 Sakregister 346 Tabeller 350

001-006 4708591_Framvagn.indd 5

2012-05-11 08.54

Förteckning över laborationer Mall för laborationsrapport i kemi 308 1. Reaktionshastighet 309 2. Förskjutning av jämviktsläge 309 3. Bestämning av syra- eller baskonstant 311 4. Joners protolys i vattenlösning 311 5. Titrerkurvor 312 6. Aluminiumhydroxidens löslighet 314 7. Bestämning av vattnets hårdhet genom EDTA-titrering 314 8. Kolväten, strukturformler och isomeri 315 9. Identifiera en okänd alkohol 316 10. Funktionella grupper och löslighet 317 11. Syntes av etylacetat 318 12. Destillation – rening av etylacetat 318 13. Syntes av acetylsalicylsyra, ASA 320 14. Syntes av paracetamol 321 15. Tiosulfattitrering 322 16. Halten C-vitamin i frukt 323 17. Tunnskiktskromatografi (TLC) 324 18. Spektrofotometri 324 19. Manganhalten i te 326 20. Några livsmedel 327 21. Gelfiltrering 328 22. Biosyntes av stärkelse 329 23. Succinatdehydrogenas 330 24. PCR – analys av Alu-fragment 331

001-006 4708591_Framvagn.indd 6

2012-05-11 08.54

1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT För en kemist är materien begriplig och mätbar. Kunskaper om ämnens egenskaper och om hur de reagerar med varandra gör det möjligt att framställa nya produkter och att förstå och ingripa i förändringar som sker i vår livsmiljö. Kemiska analyser ger svar på vad och hur mycket som ﬁnns av olika ämnen i en blandning. Genom den vetenskapliga processen utvecklas ständigt vår syn på materia. Ett exempel är upptäckten av kvasikristaller, som har förändrat synen på kristallers struktur.

2011 belönades upptäckten av kvasikristaller med Nobelpriset i kemi. Kvasikristaller har en oregelbunden struktur baserad på talet 5. Shah-moskén i Isfahan i Iran har ett mosaikmönster som också är oregelbundet och baserat på talet 5.

007-024 4708591_Kap01.indd 7

2012-05-14 10.27

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

Modeller hjälper oss att förstå verkligheten Det mesta som sker i oss och runt omkring oss är omvandlingar av materia. Vid omvandlingar av materia, som när ett ämne förbränns i en brasa eller vid ämnesomsättningen i kroppen, bryts och bildas kemiska bindningar. Sådana processer kan förklaras med kemiska modeller och teorier. En modell är ett sätt att åskådliggöra en teori. Modellen kan vara mer eller mindre förenklad i förhållande till den teori den illustrerar. Det är forskares experiment, och observationer av dessa, som ligger till grund för kemisters modeller av hur vår omvärld är uppbyggd. Teorier och modeller utvecklas när forskare förfinar sina metoder.

En modell är ett sätt att åskådliggöra en teori.

tavi

EriksdalsSimhall badet Badmintonstadion

k en

Hammarby

SÖDRA

bron stulls Skan

Tall-J ä backen

HAMMARBY-

s slus

HAMNEN

Sundsta

Gullmarsplan

St. Sickla Sickla Strand Sicklasjön

Fryshuset

Lilla Sickla

Gullmarspl.

v. Söderstadion ge Länken in Södra dd Hu Globen Sthlms stads slakthus

vä ge n

ke n

FÄLTET

So ck en

k:a

Sockenpl. v.

Skärmarbrink

BJÖRKHAGEN

Globen

HÖJDEN Hammarbyhöjden Björkhagen

JOHANNESHOV Enskede Gård ENSKEDE GÅRD Enskede

ENSKEDESo

HAMMARBYSkärmarbrink

gen äsvä Nyn

En modell är en förenklad bild som gör det lättare att orientera sig. Modellen lyfter fram det väsentliga för ändamålet. Kartbilden till vänster och linjekartan över delar av Stockholms tunnelbanenät ger olika information om tunnelbanestationernas lägen, men ingen av kartorna visar verkligheten.

Blåsut

Enskede gård Sockenplan

Nytorpsbadet

Dalens sjukhus Sandsborgsbadet

KÄRRTORP

Sandsborg

Kärrtorp

Kärrtorps idrottsplats

Sandsborgskyrkogården

Svedmyra

Hammarbyhöjden Blåsut Sandsborg

Björkhagen

Skogskyrkogården

E N SK E D E Enskede idrottspl.

UREBY

Stureby sjukhus

Svedmyra

en S o cken väg Skogs-

kyrkogården

GAMLA

ENSKEDE

DALEN

Oscar I:s minne

Stureby

Tallkrogen

Kärrtorp

Trons,Hoppets, Heliga Korsets kapell

Ibland har nya modeller gjort att något som dittills varit oförklarat, plötsligt blivit begripligt och logiskt. Ett exempel är klarläggandet av DNA-molekylens struktur. I början av 1950-talet tävlade flera forskargrupper om att lösa gåtan hur DNA kan innehålla information om hur en levande varelse ska byggas upp och fungera. Man visste vilka enkla byggstenar som DNA var uppbyggd av, men man behövde ta reda på hur de enkla byggstenarna var bundna till varandra i en tredimensionell struktur. Med hjälp av röntgenljus kunde man skaffa sig bilder, diffraktionsmönster, ur vilka man kunde räkna ut hur atomerna är bundna till varandra i DNA-molekylerna. Många av de forskare som var med i kapplöpningen om att kartlägga DNA-molekylens struktur var röntgenkristallografer. I London arbetade Rosalind Franklin och Maurice Wilkins med kristaller av DNA. Deras bilder var emellertid svårtolkade. Först när Rosalind Franklin och Maurice Wilkins började samarbeta med James Watson och Francis Crick började problemets lösning skymta. Watson och Crick använde sina kunskaper om byggstenarnas kemiska egenskaper och byggde kul-pinnmodeller av DNA. De använde då den informa8

007-024 4708591_Kap01.indd 8

2012-05-11 09.00

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

James Watson, Francis Crick och John Wilkins tilldelades 1962 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för deras modell av DNA-molekylen. Bilden visar den orginalskiss som Francis Crick gjorde av DNA-molekylens struktur 1953.

Rosalind Franklin (1920–1958)

tion som Franklin och Wilkins fått fram genom röntgenkristallografiska undersökningar. Deras arbete resulterade i en modell av DNA-molekylens struktur som snabbt slog igenom i forskarvärlden. Strukturmodellen av DNA-molekylen bidrog till att man, under loppet av ett par år under 1950-talet, kunde lägga fram en teori om hur genetisk information kan kopieras och om hur instruktioner om proteintillverkning förmedlas inom cellen. Teorin visar att det är precisionen med vilken atomgrupper passar ihop, och binds till varandra i DNA-molekylen, som gör detta möjligt. Nu, ungefär 60 år efter forskningsgenombrottet, är Watsons och Cricks modell av DNA-molekylen grunden för kriminaltekniska metoder, forskning kring genetiska orsaker till sjukdomar, metoder att kartlägga släktskap mellan människor och mellan arter under evolutionens gång samt mycket annat. Metoder som innebär att man på något sätt hanterar genetiskt material hör till vardagen inom många olika verksamheter i samhället.

En viktig pusselbit föll på plats om det genetiska arvet när DNA-molekylens struktur klarlades.

007-024 4708591_Kap01.indd 9

2012-05-11 09.00

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

Modeller och teorier kan vara svåra att acceptera Ibland kan modeller och teorier vara tydliga för forskare, men så abstrakta och obekväma att det är svårt, även för forskare, att ta dem till sig och anpassa sina handlingar därefter. I flera miljöfrågor har kemister långt i förväg kunnat förutsäga effekter i naturen, t.ex. av ökade utsläpp av koldioxid. Den svenske kemisten Svante Arrhenius skrev år 1906 i den populärvetenskapliga boken Världarnas utveckling att: ”En sänkning af luftens kolsyremängd till hälften af dess nuvarande värde skulle nedsätta temperaturen med omkring 4 grader, en sänkning till en fjärdedel med bortåt 8 grader. Å andra sidan skulle en fördubbling af luftens kolsyra höja jordytans temperatur med 4, en fyrdubbling skulle höja den med 8 grader.” Redan i slutet av 1800-talet var det känt att jordens klimat påverkas av halterna av koldioxid, vattenånga, ozon och kolväten i atmosfären. Man visste också att människans förbränning av olja och kol var så omfattande att utsläppen kunde påverka klimatet. År 2006, 100 år senare, ville f.d. vicepresidenten i USA, Al Gore, få fart på olika åtgärder mot global uppvärmning med filmen ”En obekväm sanning”. Vid det laget pågick en vetenskaplig diskussion om människans påverkan på klimatet. I en scen visar Al Gore att många vetenskapliga undersökningar samstämmigt hade visat att klimatet kommer att påverkas väsentligt av mänskliga aktiviteter. TV, tidningar och allmänna diskussioner gav dock ofta intrycket att forskarnas mätvärden och förutsägelser om global uppvärmning var mycket osäkra.

Den israeliske kemisten Dan Shechtman motarbetades länge av världsledande kemister, för sin teori om att femtalighet kan råda i kristaller och att de därför inte alltid är uppbyggda med en regelbunden struktur. År 2011 belönades han med Nobelpriset i kemi för upptäckten av kvasikristaller.

007-024 4708591_Kap01.indd 10

2012-05-11 09.00

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

Al Gore föreläser om växthuseffekten och global uppvärmning på klimatkonferensen i Sevilla 2008.

Vetenskaplighet Vetenskapliga undersökningar Utmärkande för att något ska vara vetenskapligt fastlagt är att det är systematiskt undersökt och öppet för granskning. Vi möter och accepterar ständigt fakta från många andra- och tredjehandskällor, t.ex. läroböcker och dagspress. De flesta hemsidor på Internet är också andra- och tredjehandskällor. Om man ska granska något kritiskt måste man gå till förstahandskällan. En redovisad undersökning är en förstahandskälla. I en vetenskaplig rapport ska urval, metod och rådata redovisas. Med rådata menar man obehandlade mätvärden. Utifrån dessa ska en helt annan person eller grupp kunna göra om samma undersökning eller dra egna slutsatser av de mätvärden som finns redovisade. Vetenskapen ska vara transparent, dvs. den ska vara öppen för alla och inte dölja något. En vetenskaplig studie kan mycket väl motsäga en annan. Sådana motsägelser leder förstås till en diskussion om vem som har rätt och vem som har fel. Den vetenskapliga diskussionen visar då ofta att någon har gjort ett felaktigt antagande vid urvalet eller utformningen av metoden. Även tolkningen av en vetenskaplig studie kan motsäga en annan liknande undersökning. Om undersökningarna är korrekt rapporterade kan de granskas och kontrolleras. Den som läser kan då göra en annan tolkning än den som gjorde själva undersökningen. Om undersökningarna är systematiskt utförda, ska mätvärden, rådata, ändå vara riktiga och möjliga att använda i en annan förklaringsmodell. Ovetenskapliga påståenden kännetecknas däremot av att de studier som eventuellt sägs ligga bakom ett sådant påstående, t.ex. ett löfte om smärtfrihet med hjälp av kristaller, saknas eller är ofullständiga. Ibland

En redovisad undersökning är en förstahandskälla.

007-024 4708591_Kap01.indd 11

2012-05-11 09.00

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

är det statistiska underlaget för litet. Det går inte att dra några slutsatser av enstaka observationer eller ofullständiga undersökningar. Inom hälso- och sjukvården ställs kravet att en behandling ska bygga på vetenskap eller beprövad erfarenhet. Akupunktur, som innebär att nålar sticks in på bestämda ställen i kroppen, är ett exempel på en icke vetenskapligt belagd behandling mot smärta. Behandlingen tilllämpas ändå inom sjukvården, eftersom den har använts under lång tid och många människor upplever en positiv effekt. De traditionella förklaringarna till akupunkturens verkan har inte kunnat beläggas vetenskapligt. Det finns dock studier som styrker att akupunktur hjälper mot viss värk och att endorfiner, smärtlindrande ämnen, frisätts i kroppen när patienter behandlas med akupunktur. I framtiden kan det visa sig att smärtlindringen inte alls har med behandlingen att göra, utan fungerar med hjälp av placeboeffekt (psykologiska orsaker), eller kanske att behandlingen frigör kemiska substanser som man ännu inte har lyckats identifiera eller mäta. Att något inte visats vetenskapligt, innebär inte att det inte kan vara sant. Det finns dock anledning att inta ett kritiskt förhållningssätt. Exempel på några vetenskapliga studier som väckt debatt Frågeställning

Metod

Resultat

Diskussion

1. Hur mycket skiljer sig koldioxidhalten i atmosfären mellan olika platser och tidpunkter?

Luftprover insamlades och det partiella koldioxidtrycket mättes i proverna.

Koldioxidhalten i luften varierar systematiskt med årstiderna. Halterna varierar mindre vid polerna. Under en treårsperiod steg halten koldioxid i atmosfären över Antarktis. Studien gav en ny fungerande metod att mäta koldioxidhalt i luft.

Gröna växter på det norra halvklotet sänker halten koldioxid i atmosfären under sommarhalvåret. Över Antarktis har koldioxidhalten ökat motsvarande det tillskott som förbränning av fossila bränslen ger.

2. Påverkas halten av smärtstillande neuropeptider i ryggmärgsvätska av elektroakupunktur?

Kemisk analys av ryggmärgsvätska från patienter som har behandlats med akupunktur mot ryggsmärtor.

Halten av β-endorfin i ryggmärgsvätska ökar efter behandling med elektroakupunktur. Halten av met-enkephalin ökar inte.

Ämnet β-endorfin utsöndras när en patient behandlas med akupunktur.

3. Påverkar ftalater fosterutvecklingen hos människor?

Halter av ftalater och nedbrytningsprodukter av ftalater mättes i urin från gravida kvinnor och deras pojkspädbarn. Ftalathalterna jämfördes med hur väl pojkspädbarnens genitalier var utvecklade vid födelsen.

Ju högre halter av ftalater och ftlalatmetaboliter* i urinen, desto sämre utvecklas pojkars genitalier.

De halter av ftalater som människofoster utsätts för, kan påverka utveckling av deras manliga genitalier och reproduktionsförmåga. Liknande påverkan har tidigare visats hos råttor.

1. D. Keeling. The Concentration and Isotopic Abundances of Carbon Dioxide in the Atmosphere. Tellus, 12 (1960) s 200–203

*metabolit = nedbrytningsprodukt

2. Vlement-Jones, V. et al. Increased β-endorphin but not met-enkephalin levels in human cerebrospinal fluid after acupuncture for recurrent pain. The Lancet, 316:8201 (1980), s 946–949

3. Swann, S.H. et. al. Decrease in Anogenital Distance among Male Infants with Prenatal Phthalate Exposure. Environmental Health Perspective, 113:86 (2005) s 1056–1061

007-024 4708591_Kap01.indd 12

2012-05-11 09.00

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

Vad kemister gör Kemister utvecklar t.ex. solceller, nya plaster och effektiva läkemedel. Många kemister arbetar med att se till att kemiska produkter hanteras på ett säkert sätt och med att göra bedömningar i miljö- och hälsofrågor. Kemister finns inom många olika och mycket skilda delar av arbetsmarknaden. Majoriteten av alla kemister arbetar inom den privata sektorn. Stora arbetsgivare finns inom massa- och pappersindustrin och inom petroleum- och polymerindustrin. Ungefär en femtedel av svenska kemister arbetar inom statlig och kommunal sektor. På Statens kriminaltekniska laboratorium, Kemikalieinspektionen och Arbetsmiljöverket arbetar många kemister. Deras arbete ger underlag för olika beslut. Kemister kan ha olika kompetenser inom ämnet. Det finns specialister inom oorganisk kemi, organisk kemi, biokemi, fysikalisk kemi, elektrokemi, analytisk kemi, miljökemi, processkemi, klinisk kemi, strukturkemi, bioteknik, ytkemi, polymerkemi m.fl. områden.

Tillverkning och syntes Material som används i datorer, bilar och kläder, är oftast syntetiskt framställda. Man använder olika ämnen från naturen, t.ex. råolja, bergarter eller växtmaterial. De flesta av dessa utgångsämnen måste, efter utvinning och rening, omvandlas för att få de önskade egenskaperna. Man använder de renade utgångsämnena i olika synteser. Det innebär att de får reagera och bilda nya ämnen. Till mobiltelefoners pekskärmar används än så länge (2012) ett skikt av indiumtennoxid. Skiktet gör att ett elektriskt fält i telefonskärmen påverkas när man nuddar skärmen med ett finger. Indium är dock en ovanlig och dyr metall och den är en ändlig resurs i naturen. Kemister som arbetar med t.ex. grafen och organiska polymerer kan utveckla nya, billigare och mer miljövänliga alternativ. Utveckling och tillverkning av pekskärmar är ett av många områden där kemister finns med i många led. De arbetar bl.a. med utvinningen och förädlingen av indium från mineraler i berg, vid själva tillverkningen och vid utvecklingen av nya ämnen. Kemisk syntes sker även när man producerar läkemedel, olika polymerer och överhuvudtaget vid framställning av syntetiska material. Att ta fram ett nytt läkemedel är ett arbete som tar många år, ibland decennier, och kostar i regel flera miljarder kronor. Då ingår arbete och pengar som läggs på tänkbara läkemedel som så småningom visar sig inte leda till en användbar produkt.

syntes – framställning av ett nytt ämne genom en kemisk reaktion

007-024 4708591_Kap01.indd 13

2012-05-11 09.00

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

Emla-plåster och Xylocainsalva innehåller den aktiva substansen lidokain. Lidokain framställdes första gången 1942.

Xylocain är ett lokalbedövningsmedel som många människor i hela världen har glädje av, särskilt hos tandläkaren. Xylocain har en lång historia. Redan 1937 publicerade två kemister vid dåvarande Stockholms högskola synteser av 16 olika lokalbedövningsmedel, varav ett var mycket likt det som senare kom att ingå i Xylocain. Det gällde att hitta ett bedövningsmedel som fungerade utan att vara giftigt eller beroendeframkallande. Idéerna till sådana lokalbedövningsmedel kom från en naturprodukt, gramin. Molekylens struktur kunde man verifiera genom att jämföra med den för syntetiskt gramin. Den aktiva substansen i Xylocain heter lidokain. Den framställdes första gången 1942. Året därpå köpte Astra* rättigheterna till Xylocain. Dessförinnan hade flera andra läkemedelsföretag tackat nej. Det var sedan en lång väg för Astra fram till ett godkänt läkemedel. Först måste det göras utprövningar på djur och människor. Råvaror, dvs. utgångsämnen för syntesen, måste anskaffas och syntesprocessen måste tekniskt anpassas till industriell skala. Astra* fick patent på lokalbedövningsmedlet Xylocain 1950.

Upparbetning och renframställning

upparbetning – en råvara behandlas så att koncentrationen av det önskade ämnet ökar renframställning – en separation som leder fram till ett rent ämne

Vid syntes och tillverkning behövs nästan alltid ett avslutande steg i produktionen, där ämnet renas från biprodukter och kvarvarande utgångsämnen. Det önskade ämnet måste renframställas. Vissa betydelsefulla råvaror för industriprodukter finns i naturen men i låg koncentration. Om man vill utvinna ett ämne för direkt användning, eller för vidare syntes, måste råvarans koncentration ökas, råvaran måste upparbetas. Upparbetning och renframställning innebär oftast separation av ämnen. Cellulosafibrer i papper utvinns ur trä. Fibrerna förändras bara lite och cellulosan reagerar inte och bildar nya ämnen under papperstillverkningen. Däremot separeras fibrerna från bland annat vedämnet lignin. Fibrerna friläggs. För att få ett vitt papper tillsätts därefter bindemedel och blekmedel. På järnverk upparbetas och renframställs järn ur malm. Järnmalm är ofta uppblandad med gråberg. Därför måste den järnhaltiga malmen upparbetas genom att separeras från gråberg. Upparbetningen av järnmalm kallas anrikning. Berget krossas, därefter utnyttjas malmens respektive gråbergets olika fysikaliska egenskaper för att separera dem. Separationen kan t.ex. göras med jättelika magneter. Järn framställs ur malmen i en masugn där det sker en redoxreaktion och en se*Astra Zeneca från år 1999.

007-024 4708591_Kap01.indd 14

2012-05-11 09.00

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

paration. Efter ytterligare förädlingsprocesser får man stål, som innehåller en låg andel kol. I raffinaderier kan olika ämnen renframställas ur råolja. Då separeras först olika ämnen ur råoljan genom destillation. Ämnena samlas i olika delar, fraktioner. I varje fraktion finns en blandning av ämnen med ungefär samma kokpunkter. Varje ämne finns i en högre halt i fraktionen än i råoljan. Ur fraktionen kan därefter enskilda ämnen renframställas.

fraktion – del av en helhet

Analys Med hjälp av kemiska analyser kan man ta reda på vad och hur mycket som finns av olika ämnen. I samband med tillverkning, syntes, upparbetning och renframställning sker kemiska analyser för att veta vad man har och hur långt processen har gått. Analyser görs också för att ta reda på koncentrationer av ämnen i miljön och i kroppen. Målet med en analys är att få ett säkert resultat och ofta ett noggrant mätvärde. För att undvika att införa felkällor behöver man tänka på hur prover tas, hur de behandlas och hur ämnen separeras och identifieras. Alla ämnen i naturen, i föremål eller i maten, är uppbyggda av atomer. Sammansättningen av atomer ger varje ämne dess speciella egenskaper. På förpackningars innehållsdeklarationer står vilka ämnen och ibland även hur mycket av dem som ingår i varor som man köper.

kemisk analys – undersökning för att ta reda på vad och hur mycket som ﬁnns av olika ämnen

En första analys av mjölkens sammansättning görs redan av mjölkningsroboten på bondgården. Mjölkens vikt, fetthalt och proteinhalt registeras och skickas till en dator, där värdena för varje enskild ko lagras.

007-024 4708591_Kap01.indd 15

2012-05-11 09.00

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

Mjölk är en naturprodukt och ett viktigt livsmedel. En enkel analys av mjölkens utseende, lukt och smak med hjälp av våra sinnen, säger oss om mjölken är drickbar eller ej. Men innehåller mjölken några läkemedelsrester? Vilka är koncentrationerna av olika vitaminer? Vilken är totalsammansättningen? Mjölk, liksom andra livsmedel och olika industriprodukter, måste löpande kontrolleras med hjälp av analyser. Prover på mjölk tas redan på gården och skickas till ett laboratorium för kontroll. Av innehållsdeklarationen som står på förpackningen framgår hur mycket protein, fett och kolhydrater som ingår i 100 g mjölk. Där anges även energivärde, några vitaminer, och hur mycket kalcium och jod mjölken innehåller (egentligen kalciumjoner och jodidjoner). Det är kunskap om olika ämnens egenskaper som gör att man kan ta reda på vilka ämnen och hur mycket av dem som finns i exempelvis mjölk.

Kvalitativ analys Kvalitativ analys anger om ett ämne ﬁnns i en blandning eller inte.

elementaranalys – undersökning för att ta reda på ingående grundämnen

reagens – ämne som påvisar närvaron av ett annat ämne genom att reagera med detta ämne på ett karaktäristiskt sätt detektera – påvisa förekomsten av ett visst ämne

AgF(aq) AgCl(s) AgBr(s) AgI(s)

Att göra en kvalitativ kemisk analys innebär att ta reda på vilka ämnen som ingår i ett prov. En kvalitativ analys går ofta ut på att bestämma vilka kemiska ämnen som ingår i en kemisk förening eller en blandning. En undersökning som görs för att ta reda på vilka atomslag som ingår i en blandning eller i en kemisk förening kallas elementaranalys. I äldre tider var det inom bergsbruket av stort intresse att försöka ta reda på om ett mineral eller en bergart innehöll någon värdefull metall. Man sönderdelade bergarter tills de inte gick att dela upp i mindre beståndsdelar. Till slut fick man ett resultat som visade vilka och hur mycket av olika grundämnen, element, som ingick i provet. Därför kallas en sådan analys elementaranalys. Genom sönderdelning av bergarter och analys av beståndsdelarna upptäcktes flera av våra grundämnen. Ett enkelt sätt att utföra en kvalitativ analys av ett prov är att använda ett reagens. Ett reagens är ett ämne, en kemisk förening eller en kombination av ämnen, som sätts till ett prov och ger förändringar som är specifika för det ämne eller det jonslag som man vill detektera. Man kan säga att ett reagens svarar på en bestämd fråga. Svaret ska helst vara entydigt men det är det inte alltid. Om man vill ta reda på om en lösning innehåller kloridjoner kan man tillsätta en droppe silvernitratlösning. Man måste då veta att bromidjoner och jodidjoner också ger fällningar med silverjoner. Om det bildas en fällning måste man därför försäkra sig om att den består, åtminstone delvis, av just silverklorid. Man tillsätter då ammoniaklösning. Om fällningen löser sig, helt eller delvis, kan man vara säker på att det finns kloridjoner i

007-024 4708591_Kap01.indd 16

2012-05-11 09.01

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

lösningen. Silverbromid och silverjodid löser sig nämligen inte i ammoniaklösning. Dessa och andra fällningsreaktioner kan användas för kvalitativ analys av jonföreningar. EXEMPEL PÅ ENKLA KVALITATIVA ANALYSER MED REAGENS

AgNO3(aq) – reagens på kloridjoner. Det bildas en vit fällning av AgCl om det finns kloridjoner. Ba(NO3)2(aq) – reagens på sulfatjoner. Det bildas en vit fällning av BaSO4 om det finns sulfatjoner. BTB ger en lösning gul färg med oxoniumjoner. BTB ger en lösning blå färg med hydroxidjoner. Glödande trästicka flammar upp i syre, O2(g).

Kvantitativ analys Ofta är det inte intressant med bara kvalitativ analys utan man behöver veta hur stor mängden är av ett eller flera ämnen. Man vill t.ex. veta hur mycket koldioxid som finns i luft eller hur mycket D-vitamin som finns i mjölk. En analys som ger svar på hur mycket det finns av ett ämne kallas kvantitativ analys. Mjölk består till största delen av vatten med lösta proteiner, mjölksocker, salter och vitaminer. På mjölkpaket anges massan av de olika ämnena per 100 g mjölk. Innehållsförteckningen visar resultatet av olika kvantitativa analyser.

Kvantitativ analys anger hur mycket av ett ämne som ﬁnns.

EXEMPEL PÅ KVANTITATIVA ANALYSER

syra-bastitrering blodsockermätning bestämning av kolmonoxidhalt i avgaser läkemedelsanalyser dopingtest

En blodsockermätare visar att koncentrationen av glukos är 6,8 mmol/dm3.

Provtagning och provberedning Om man vill veta vad något innehåller måste man ta ett prov. Ett prov är en representativ del av en helhet, t.ex. mjölken i en tank på en bondgård eller en strömmingsfångst i Östersjön. Man kan antingen ta ett stort prov eller många små prover. De små proverna kan sedan analyseras var för sig eller slås ihop för gemensam analys. Syftet är att provet i sin sammansättning ska likna helheten. Koncentrationen av det sökta ämnet i provet och analysmetodens känslighet avgör hur mycket material som måste samlas in för att påvisa och mäta koncentrationen av ämnet. Prover som tagits för kemisk analys måste efter provtagningen näs-

prov – en representativ del av en helhet, som tas för undersökning

provtagning – en del av en helhet tas för undersökning provberedning – störande ämnen avlägsnas

007-024 4708591_Kap01.indd 17

2012-05-11 09.01

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

emulsion – en blandning av två vätskor som inte är lösliga i varandra

extrahera – dra ut

tan alltid beredas på något sätt för att få bort störande ämnen eller för att öka koncentrationen av det ämne man vill analysera. Man kan, som tidigare nämnts, ta reda på om en vätska innehåller kloridjoner genom att droppa silvernitrat i vätskan. Om det finns kloridjoner i vätskan, bildas en vit fällning av silverklorid. Men metoden fungerar inte i en vätska som redan är vit, t.ex. mjölk. Mjölk är en emulsion, dvs. en blandning av två vätskefaser, en vattenfas och en fettfas. Den vita färgen hos mjölken beror dels på proteinerna som är lösta i vattenfasen och dels på de finfördelade fettdropparna. Ett prov av mjölk måste därför först beredas. Man kan göra det genom att fälla ut proteinerna med ättiksyra och extrahera fettet med lösningsmedel. Till den återstående genomskinliga lösningen kan man sätta silvernitratlösning och se om det bildas en fällning. På motsvarande sätt måste prover som ska analyseras med hjälp av olika mätinstrument renas från ämnen som annars påverkar analysresultaten.

Mjölk är en emulsion av fettdroppar i vatten.

Separation separera – dela upp i fraktioner separation – ämnen delas upp i fraktioner

Om man vill analysera de ämnen som ingår i mjölk, måste provet delas upp i fraktioner, på ett sådant sätt att ämnena separeras. Ofta kombinerar man olika separationsmetoder med varandra. Ämnen i provblandningen separeras både under förbehandling av provet och under själva analysen. Alla separationsmetoder bygger på att de ämnen man vill separera har olika egenskaper och att skillnaderna gör att de beter sig olika. I tabellen ges exempel på några separationsmetoder och vilka egenskaper hos ämnena de grundar sig på. SEPARATIONSMETOD

GRUNDAR SIG HUVUDSAKLIGEN PÅ SKILLNADER I

filtrering

löslighet

kristallisation

löslighet

centrifugering

densitet

destillation

kokpunkt/ångtryck

extraktion

polaritet/löslighet

007-024 4708591_Kap01.indd 18

2012-05-11 09.01

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

T1_1 Flödesschema för kemisk analys.

provtagning

provberedning

separation

detektion

Detektion Efter separationerna tar man reda på vilka beståndsdelarna är. Det kan göras med en metod eller ett instrument, med vars hjälp man kan söka efter olika ämnen i fraktionerna. Detektera är ett annat ord för påvisa. En detektionsmetod kan bestå i att man tillsätter ett reagens, som ger en viss färg eller fällning om det sökta ämnet är närvarande. Elektriska eller optiska instrument används för att upptäcka ämnen vid analyser, genom att de tar upp olika former av strålning som infraröd strålning, synligt ljus, ultraviolett strålning eller röntgenstrålning. Sådana instrument kallas detektorer.

detektion – innehåll i fraktioner mäts

detektor – en apparat med vars hjälp ämnen kan upptäckas detektionsgräns – den lägsta halt av ett ämne som kan upptäckas

DETEKTIONSGRÄNSER FÖR NÅGRA OLIKA ANALYSINSTRUMENT.

människans näsa (luktsinne)

1,5–5 mg/m3 (ammoniak)

badrumsvåg

0,1 kg

spektrofotometer

54 mg/dm3 (hemoglobin)

gaskromatograf med flamjonisationsdetektor

10 pg

HALTER AV ÄMNEN

järn i kroppen

4 g/70 kg kroppsvikt

vatten i kroppen

45 kg/70 kg kroppsvikt

dioxin i strömming

3 pg/g fisk

Några analysinstruments detektionsgränser och förekommande halter av några ämnen.

Kvalitetskontroll Kemister står för mätning och analys av ämnen i t.ex. mjölk och andra livsmedel, miljöprover och olika prover från patienter. Många laboratorier måste kontrolleras så att de uppfyller vissa standarder vad gäller mätnoggrannhet och säkerhet. I Sverige ger Swedac, Styrelsen för ackreditering* och teknisk kontroll, godkännande från staten till labo*ackreditering = formell bekräftelse att en organisation eller ett företag besitter erforderlig kompetens för en specificerad, teknisk uppgift, t.ex. specificerade provningar, kalibreringar och mätningar.

007-024 4708591_Kap01.indd 19

2012-05-11 09.01

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

ratorier att deras analysresultat är godkända att användas för olika former av tillstånd och kontroller. Analyser måste ske enligt vissa standarder. Ett laboratorium kan vara certifierat enligt en viss standard, t.ex. ISO 17025. Det betyder att laboratoriet följer de riktlinjer om provhantering och dokumentation som står i det internationellt framtagna standardprotokollet, ISO 17025. Exempelvis får inte värmekänsliga kemikalier användas för vissa certifierade analyser, om temperaturen i frysen de förvarats i tillfälligt stigit över en bestämd nivå. Det kan också innebära att man måste bortse från analysresultat om den som utfört analysen inte fört sina anteckningar enligt standarden.

Godkännande av läkemedel

Oljor och fetter som framställs för livsmedelsproduktion måste analyseras i ackrediterade laboratorier. Sådana analyser sker bl.a. i AarhusKarlshamn AB produktionssite i Karlshamn.

Läkemedel är ett produktområde som kräver extra noggranna kvalitetskontroller. Den som vill sälja och marknadsföra ett läkemedel i Europa måste ha tillstånd av läkemedelsmyndigheten i mottagande land. I Sverige är det Läkemedelsverket som prövar ansökningar. Den som söker tillstånd måste kunna visa att läkemedlet har den effekt som man hävdar och att läkemedlet inte har biverkningar som skadar mer än det gör nytta. Ansökan måste också innehålla detaljerade beskrivningar av den aktiva beståndsdelens kemiska sammansättning och hur den tillverkas. För ett godkännande krävs i regel mycket omfattande tester av läkemedlet. Efter att det har testats på celler i laboratoriet, testas det först på djur, sedan på friska frivilliga försökspersoner och därefter på patienter. I ett läkemedel ingår inte bara den aktiva substansen utan också olika hjälpämnen som gör läkemedlet möjligt för patienten att hantera och som säkerställer att patienten får rätt dos. Hjälpämnena och tillverkningsprocessen ska också uppfylla ställda kvalitetskrav. För tillverkaren gäller att generella standarder för läkemedelstillverkning måste vara uppfyllda. Man kallar detta Good Manufacturing Practice (GMP), eller på svenska God tillverkningssed. Kemister är engagerade i många steg inom läkemedelsindustrin; forskning, dokumentation, tillverkning och kvalitetskontroll av färdiga produkter.

007-024 4708591_Kap01.indd 20

2012-05-11 09.01

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

Etik och ansvar Den som behärskar verktygen och kan tolka resultat av undersökningar har ett stort ansvar att bidra med underlag för den offentliga debatten och när beslut i olika frågor ska fattas. Den kemiska industrin använder 500 miljoner ton kemikalier varje år. Under de senaste 100 åren har 140 000 nya ämnen skapats, ämnen som aldrig tidigare funnits i naturen. Kontrollerna är noggrannare och hårdare idag än för 50 år sedan. Men räcker det för att förhindra miljöpåverkan och miljökatastrofer i framtiden? Var ska man dra gränsen och varför? På vilken grund? Idag är det bara tillåtet att sälja ett nytt ämne om de spridda halterna ligger under en tiondel av de halter som dittills visats vara ofarliga för natur och människor. På senare år har man förstått att kombinationer av ämnen kan vara skadliga i betydligt lägre doser än varje ämne är var för sig. Kombinationer av ämnen kan ha en så kallad synergieffekt eller som den ofta kallas, cocktaileffekt. När det gäller rökning och andra lagliga droger som alkohol, får individen medvetet utsätta sig för stora och väl dokumenterade risker. Risker med sådana ämnen kan man undersöka eftersom det redan finns människor, djur och natur som utsatts för dem under lång tid. Men hur gör man med nya ämnen och hur ska man kunna undersöka risker som man ännu inte vet om de finns? Så är fallet med kemikalier i vanliga konsumentprodukter, t.ex. kläder, mat, byggnadsmaterial, kosmetika och rengöringsmedel. De som tillverkar en produkt är skyldiga att utreda och dokumentera eventuella faror, att göra en riskbedömning. Ämnen kan, liksom läkemedel, testas på celler, djur och människor. Man kan även undersöka hur ämnen reagerar med olika molekyler som finns i cellerna. Inga sådana tester kan dock ge ett helt säkert svar på att något är ofarligt. Aktuella forskningsrön kan ofta antyda risker, men inte ge säkra bevis. Vetenskapliga studier har under början av 2000-talet visat möjliga samband mellan vissa miljögifter och fertilitetsproblem, diabetes, övervikt och neuropsykiatriska funktionsnedsättningar såsom ADHD och depression. Andra orsaker till dessa medicinska problem kan inte heller uteslutas. Vissa ämnen visar sig vara farliga först efter en lång tid. Så var det med asbest, dvs. fibrer av olika silikatmineral, som användes i bromsar och på husfasader från 1930-talet. Asbestdamm visade sig senare orsaka lungcancer särskilt hos rökare. Det är ett exempel på cocktaileffekt. Farorna kunde inte förutses när asbest började användas.

007-024 4708591_Kap01.indd 21

cocktaileffekt, synergieffekt – blandningens effekt är större än summan av de enskilda ämnenas effekter

riskbedömning – utredning och dokumentation av eventuella faror

Vissa läderskor innehåller skadliga ämnen. Skoproducenterna är skyldiga att dokumentera farorna med dessa.

2012-05-11 09.01

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

Olika aktörer i samhället påverkar beslut och hantering av kemikalier.

En dokumentärfilm om miljögifter och kemikaliesamhället.

Beslutsfattare måste väga för- och nackdelar mot varandra och ta hänsyn till en rad riskfaktorer innan beslut fattas. Ett dilemma som exemplifierar detta är azofärgämnen som ger gul och röd färg i många sorters godis och läsk. Färgämnena kan ge överkänslighetsreaktioner och misstänks leda till hyperaktivitet hos känsliga barn. Väger konsumenternas önskan om att få färgglatt godis tyngre än riskerna som färgämnena innebär? Är det rätt att enskilda individer måste ta ansvar för att inte utsätta sig själva och sina barn för ämnen som kanske är skadliga? Innan Sverige gick med i EU var bara några få azofärgämnen godkända och då i mycket begränsad omfattning. Från 1999 blev det tillåtet att använda azofärgämnen i flera olika livsmedel. Hur riskbedömningar ska ske, vilka lagar de ska leda till och vem som ska ta ansvar för resultat, blir allt viktigare att diskutera. Idag finns ett ökande behov av människor som arbetar med eller forskar om kommunikation av vetenskapliga resultat och riskbedömningar. De som gör det kan ha en bakgrund inom något eller kombinationer av olika områden t.ex. ekonomi, naturvetenskap och filosofi.

007-024 4708591_Kap01.indd 22

2012-05-14 11.45

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

SAMMANFATTNING • En modell är ett sätt att åskådliggöra en teori. • Kemisters modeller gör många miljö- och hälsofrågor begripliga. • Ett vetenskapligt arbete ska vara systematiskt genomfört och kunna granskas av andra forskare. • En kemisk analys är en undersökning för att ta reda på vad och hur mycket som finns av olika ämnen. • Kvalitativ analys ger svar på frågor om vilka ämnen som ingår i ett prov. • Kvantitativ analys innebär bestämning av mängden eller massan av ett ämne i ett prov. • Analysmetoder bygger på att olika kemiska ämnen har olika egenskaper.

Begrepp analys

kvalitativ analys

centrifugering

kvalitetskontroll

cocktaileffekt

kvantitativ analys

destillation

modell

detektion

prov

detektionsgräns

provberedning

detektor

provtagning

elementaranalys

reagens

emulsion

renframställning

etik

separation

extraktion

synergieffekt

filtrering

syntes

fraktion

teori

kristallisation

upparbetning

• Reagens används för att påvisa ett ämne. • Ett prov är en representativ del av en helhet. • Provberedning gör ett prov möjligt att analysera. • Separation innebär uppdelning av en blandning i dess beståndsdelar. • Detektor är ett instrument med vars hjälp man kan påvisa ett ämne. • Detektionsgräns är den minsta mängd, halt eller koncentration av ett ämne som går att analysera. • När riskbedömningar om kemikalier görs måste en rad etiska frågor övervägas.

007-024 4708591_Kap01.indd 23

2012-05-11 09.01

KAPITEL 1 KEMINS KARAKTÄR OCH ARBETSSÄTT

UPPGIFTER 1:1

Är följande analyser kvalitativa eller kvantitativa? a) pH-mätning, b) att känna ammoniaklukt med näsan c) blodsockermätning d) graviditetstest.

1:2

Följande uppgifter kan behandlas vid lämpliga tillfällen under kursen. 1:9

Undersök och diskutera några olika källor, från

Varför är det nödvändigt att ha kontroll över kemika-

Internet eller böcker, som tar upp och diskuterar

liernas renhetsgrad när man arbetar med kemiska

samband (orsaker och effekter) mellan a) metan

analyser?

och jordens klimat, b) ftalater och reproduktion. Ange om källorna är förstahandskällor.

1:3

Vad betyder a) analys, b) fraktion, c) detektor, 1:10 Bläddra igenom en lärobok i kemi, t.ex. den här.

d) separera?

Finn bilder som föreställer modeller av olika sam1:4

Vilka separationsmetoder används när man

band. Vilka samband beskrivs? Vad lyfts fram i de

a) brygger kaffe, b) tvättar kläder i tvättmaskinen,

olika modellerna?

c) framställer sprit? 1:11 Watsons och Cricks beskrivning av teorin och mo1:5

1:6

Beskriv hur man kan ta reda på om en lösning

dellen av DNA-molekylen finns att läsa t.ex. på

innehåller a) kloridjoner, b) sulfatjoner.

tidskriften Natures hemsida. http://www.nature.

Man gör en analys för att bestämma koncentra-

com/nature/journal/v421/n6921/pdf/421397.pdf

tionen av ett visst ämne och får resultatet

Vilka resultat beskrivs i artikeln? Diskutera hur

1:7

0 mol/dm . Vilken slutsats bör man dra av

dessa resultat ledde till en förändrad syn på arvets

resultatet?

mekanismer.

Halten testosteron i mänskligt blod är 2 400–9 500 ng/dm3 för män och 3

1:8

1:12 Vilka av följande begrepp och termer behövs för att förklara a) växthuseffekt, b) ett miljögifts upptag

80–600 ng/dm för kvinnor. Med en viss metod

och anrikning i kroppen? Absorbans, atmosfär,

kan 1,0 pg testosteron detekteras. Hur stor volym

bioackumulerbarhet, entalpi, fast ämne, fett, för-

måste ett blodprov ha om det säkert ska räcka för

bränning, gas, GWP, grundämne, jon, kemisk reak-

en analys? Blodprovet bör innehålla 10 gånger mer

tion, koncentration, löslighet, metall, molekyl, nä-

testosteron än vad som behövs för den nedre de-

ringskedja, oorganiskt ämne, opolär, organiskt

tektionsgränsen p.g.a. förluster som sker vid prov-

ämne, polär, oxidation, strålning, substansmängd,

beredning.

temperatur, tungmetall, vätska.

För att fisk ska få användas som livsmedel får

1:13 Ingen av de tre undersökningarna som nämns i

halten av ett dioxin, TCDD, inte överstiga 4,0 pg/g

tabellen på s. 12 är oomtvistad. Diskutera hur (och

fisk. Med en viss detektionsmetod kan man detek-

om) man kan visa

tera 0,20 ng TCDD. Man räknar med att 40 % TCDD

a) om mänskliga aktiviteter påverkar jordens klimat

förloras under provberedningen. Man tar ett prov

b) om låga halter av miljögifter kan påverka foster-

från en strömming. Provet måste analyseras fem

utveckling och mänskligt beteende

gånger. Hur många g strömming behövs för

c) om akupunktur fungerar som behandling mot

analysen?

smärta. Utgå från undersökningarna i tabellen på s. 12 och diskutera argument för och emot. 1:14 Ta reda på vad en dubbelblindstudie innebär. Det beskrivs inte i denna lärobok.

007-024 4708591_Kap01.indd 24

2012-05-11 09.01

2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING

En del reaktioner sker så långsamt att man knappt märker att de sker. Andra reaktioner är snabba. För broar och hus tar det hundratals år att vittra sönder, men bränsleblandningen i en motor förbränns på bråkdelen av en sekund. Hur fort en kemisk reaktion sker, styrs av de förhållanden som råder där den sker. Man kan ofta påverka hur fort reaktionen sker genom att förändra förhållandena, t.ex. ändra temperaturen, trycket eller koncentrationen av ett eller ﬂera ämnen. En katalysator påverkar också reaktionshastigheten.

025-036 4708591_Kap02.indd 25

2012-05-14 10.28

KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING

EX PERI MENT

1. Blanda en sked citronsyra och en sked natriumvätekarbonat i en blixtlåspåse. Sätt en sked vatten till blandningen. Stäng påsen. 2. Häll natriumsulfatlösning i en bägare. Tillsätt några droppar bariumkloridlösning. 3. Tillsätt 10 cm3 0,2 mol/dm3 saltsyra till 25 cm3 0,2 mol/dm3 natriumtiosulfatlösning i en 100 cm3 bägare. Experimentet bör utföras i dragskåp. 4. För ner lika stora substansmängder zink i två provrör; i det första i form av plåtbitar, i det andra i form av pulver. Häll lika volymer utspädd saltsyra i provrören. 5. Lägg lika stora bitar zinkplåt i tre stora provrör innehållande saltsyra med koncentrationerna 4 mol/dm3, 2 mol/dm3 resp. 1 mol/dm3. Påvisa den gas som bildas. Jämför tiderna för upplösning. 6. Häll 4 mol/dm3 saltsyra i två provrör. Värm innehållet i det ena provröret till ca 50 °C. För ner lika stora bitar av aluminiumfolie i provrören. I vilket provrör går reaktionen snabbast? Låt rören stå cirka 10 min. 7. Lös upp 1–2 g kaliumjodid i lite vatten. Häll diskmedel till ett par centimeters höjd i en hög glascylinder. Tillsätt ca 25 cm3 35 % väteperoxidlösning till diskmedlet. Ställ cylindern på en bricka och häll snabbt ner kaliumjodidlösningen (katalysatorn) i diskmedelsblandningen.

Reaktioners hastigheter reaktionshastighet – substansmängd bildat eller förbrukat ämne per tidsenhet

En reaktions hastighet, dvs. hur fort en reaktion går, kan anges som den substansmängd av ett ämne som förbrukas eller bildas per tidsenhet vid en kemisk reaktion. Reaktionshastigheten beror först och främst på vilka ämnen det är som deltar i reaktionen. När alkalimetaller reagerar med vatten går reaktionen snabbt. Ädla metaller påverkas däremot inte synbart av luft eller vatten. De reaktioner som ändå sker, går ytterst långsamt. Varje reaktions hastighet påverkas av de förhållanden som råder, t.ex. ämnenas koncentrationer, trycket och temperaturen.

Reaktionshastigheten påverkas av bindningstypen Reaktioner mellan joner i lösningar är momentana reaktioner.

Fria rörliga joner reagerar ofta omedelbart med varandra. Reaktionerna sägs vara momentana. Fällningsreaktioner, som inträffar när vattenlösningar av jonföreningar blandas, är momentana reaktioner. Reaktioner mellan molekyler är sällan momentana. Det beror på att

025-036 4708591_Kap02.indd 26

2012-05-11 09.05

KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING

I biljard liksom i kemiska reaktioner är gynnsamma kollisioner viktiga för resultatet.

reaktioner där kovalenta bindningar bryts eller bildas ofta sker i flera steg. Dessutom måste molekylerna kollidera vid en viss vinkel och med tillräckligt hög hastighet. Av alla kollisioner som totalt sker mellan molekyler, leder endast ett fåtal till reaktion. Vid reaktionen mellan tiosulfatjoner och oxoniumjoner bildas svavel, svaveldioxid och vatten. Det innebär att kovalenta bindningar bryts och bildas. Det kan ta flera minuter innan den gula fällningen av svavel blir synlig. 2− −

S2O3 (aq) + 2 H3O+(aq) → S(s) + SO2(g) + 3 H2O

Reaktioner där kovalenta bindningar bryts eller bildas går långsammare än fällningsreaktioner mellan joner.

Reaktionshastigheten beror på kontaktytan För att en reaktion ska ske måste partiklar kollidera med varandra. Ett fast ämne reagerar snabbare med en vätska om kontaktytan ökas. Zink reagerar med saltsyra enligt formeln Zn(s) + 2 H3O+(aq) → Zn2+(aq) + H2(g) + 2 H2O

Ju mer finfördelad zinken är, desto större är reaktionshastigheten. Förklaringen är, att sannolikheten för att oxoniumjoner ska kollidera med zinkatomer är större om kontaktytan mellan vätskan och den fasta zinken är större.

Reaktionshastigheten ökar med kontaktytan.

Reaktionshastigheten ökar med partiklarnas rörlighet Fasta ämnen reagerar i allmänhet långsamt med varandra. Det beror på att partiklarna i fasta ämnen har mycket begränsad rörlighet, vilket gör att det sker få kollisioner mellan partiklarna. Faktorer som styr antalet gynnsamma kollisioner är avgörande för en reaktions hastighet. När natriumvätekarbonat och citronsyra, båda i fast form, blandas med varandra märks ingen reaktion. När vatten tillsätts löser de fasta ämnena sig och en livlig gasutveckling börjar. Förenklat kan formeln för reaktionen skrivas −

H 3 O + (aq) + HCO3(aq) → CO 2 (g) + 2 H 2 O(l) 27

025-036 4708591_Kap02.indd 27

2012-05-11 09.05

KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING

Snön i snögubben smälter långsammare än samma mängd snö fördelad på markytan. Den varma luften får bara direktkontakt med snön på ytan.

Reaktionshastigheten ökar med partiklarnas rörlighet.

I lösning är jonerna rörligare än i fasta ämnen. Sannolikheten för att joner kolliderar är stor. Därför går reaktioner mellan joner i lösning snabbt. I vätskor och i gaser är partiklarna fritt rörliga. Sannolikheten för att kollisioner sker är därför större än i fast form. Eftersom reaktioner bara kan ske när partiklar kolliderar, är reaktionshastigheten för ämnen i gas- eller vätskeform större än för samma ämnen i fast form.

Reaktionshastigheten ökar med temperaturen Reaktionshastigheten ökar med temperaturen.

Kemiska reaktioner går i allmänhet snabbare ju högre temperaturen är. Orsaken till det är att molekylernas hastigheter ökar när temperaturen höjs. Då ökar antalet kollisioner och det är fler partiklar som har tillräckligt hög energi för att reagera vid kollisionerna. För de flesta reaktioner som sker i lösningar nära rumstemperatur, gäller att reaktionshastigheten ökar till det dubbla om temperaturen höjs 10 °C.

025-036 4708591_Kap02.indd 28

2012-05-11 09.05

KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING

antal molekyler

Molekylers medelenergi och medelhastighet ökar när man höjer temperaturen. Vid alla temperaturer finns det molekyler som rör sig snabbare än andra. Arean under graferna visar fördelningen av molekyler med olika hastigheter vid två olika temperaturer, T1 och T2. Arean till höger om den lodräta linjen visar att fler molekyler har tillräckligt hög energi för att reaktion ska ske vid den högre temperaturen T2 än vid T1.

hastigheter

Reaktionshastigheten ökar med koncentrationen När saltsyra reagerar med zink, har saltsyrans koncentration stor betydelse för reaktionens hastighet. Ju högre koncentration av saltsyra, desto oftare sker kollisioner mellan oxoniumjoner och zinkatomer. Förklaringen till att reaktionshastigheten ökar är att sannolikheten för kollisioner ökar, eftersom antalet partiklar per volymenhet är större vid högre koncentration. Detta gäller bara om gasutvecklingen är måttlig. För nästan alla reaktioner där två eller flera ämnen reagerar med varandra, ökar reaktionshastigheten om koncentrationen av någon av reaktanterna ökas. Även då en reaktion innebär att bara ett ämne sönderfaller är reaktionshastigheten, uttryckt som substansmängd sönderfall per tidsenhet, högre vid högre koncentrationer. Vid högre koncentration finns det fler partiklar som kan sönderfalla per tidsenhet. Därför är reaktionshastigheten högre.

För reaktioner med två eller ﬂera reaktanter påverkas reaktionshastigheten av antalet gynnsamma kollisioner per tidsenhet.

Reaktionshastigheten ökar med reaktanternas koncentrationer.

Reaktionshastigheten ökar med katalysatorer Hastigheten för en reaktion ökar om man tillsätter en katalysator. En katalysator är ett ämne som ökar en reaktions hastighet utan att själv förbrukas. Att katalysatorn inte förbrukas innebär att den deltar i något steg i reaktionen och sedan återbildas. Hastighetsökningen beror på att katalysatorn underlättar för partiklarna att kollidera eller att reaktionen sker på ett annat sätt än när reaktionen sker utan katalysator. Reaktionsförloppet kan ändras, men utgångsläge och sluttillstånd är desamma. Ädelmetaller samt oxider av olika metaller och halvmetaller är vanliga katalysatorer.

En katalysator är ett ämne som ökar en reaktions hastighet utan att själv förbrukas.

025-036 4708591_Kap02.indd 29

2012-05-11 09.05

KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING

En blandning av vätgas och syrgas börjar brinna om den leds över en yta belagd med finfördelad platina, 2 H2(g) + O2(g) → 2 H2O(g). På katalysatorns yta sker reaktionen mellan väte och syre på ett annat sätt än när de reagerar i gasfas. När syrgas och vätgas reagerar i gasfas, utan katalysator, behövs tillförsel av extra aktiveringsenergi, t.ex. i form av en gnista. Med katalysator startar reaktionen redan vid rumstemperatur.

H2 Pt-ytan

Pt-ytan

H2O

Pt-ytan

Bilavgaserna får passera en katalysator med ett nätverk belagt med Pt, Rh eller Pd.

Vid fullständig förbränning av bensin bildas endast koldioxid och vatten. I en bilmotors cylindrar hinner däremot inte allt bränsle reagera. Förbränningen blir ofullständig. Därför är det en blandning av kolväten och kolmonoxid som, tillsammans med koldioxid och vatten, lämnar avgasröret. Dessutom är temperaturen i motorn tillräckligt hög för att det ska bildas kväveoxid, NO, av luftens kväve och syre. Sedan år 1989 ska alla nya bilar i Sverige vara utrustade med en katalysator som renar avgaserna. I katalysatorn förbränns kolmonoxid och organiska ämnen fullständigt till koldioxid och vatten samtidigt som kväveoxid sönderdelas till kväve och syre. Det har dock visat sig att det i katalysatorn även sker en reaktion så att gödande ammoniak, NH3, bildas. Det kan även bildas små mängder klimatstörande lustgas, N2O.

Reaktioners riktning Vätejodid, HI, är vid rumstemperatur en färglös gas. När man värmer gasen i en sluten kolv till en temperatur högre än 180 °C börjar vätejodiden att sönderdelas. Det bildas färglös vätgas, H2(g), och lila jod i gasform, I2(g). 2 HI(g) → H2(g) + I2(g) entalpi – värmeinnehåll ΔH – entalpiändring

ΔH = +53 kJ

Värmeinnehållet, entalpin, ökar med 53 kJ när 1 mol vardera av produkterna bildas. ΔH är entalpiändringen. Formeln kan också skrivas

025-036 4708591_Kap02.indd 30

2012-05-11 09.05

KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING

2 HI(g) + 53 kJ → H2(g) + I2(g)

Reaktionen kräver energitillförsel och är alltså endoterm. Om temperaturen höjs bildas väte och jod fortare, reaktionshastigheten ökar. Om temperaturen sänks minskar istället reaktionshastigheten. När man kyler kolven med den varma gasblandningen försvagas den lila färgen. Detta tyder på att koncentrationen av jod minskar. Jod reagerar med väte och det återbildas vätejodid. Därmed minskar alltså även koncentrationen av väte. Nedkylningen innebär att värme avlägsnas från gasblandningen. Formeln för reaktionen är

endoterm reaktion – energi upptas ifrån omgivningen

H2(g) + I2(g) → 2 HI(g) + 53 kJ

Värme frigörs när vätejodid bildas. Det är alltså en exoterm reaktion. Detta kan även skrivas H2(g) + I2(g) → 2 HI(g)

ΔH = −53 kJ

Vid den exoterma reaktionen frigörs energin i form av värme som avges till omgivningen.

exoterm reaktion – energi frigörs

Reversibla reaktioner Sönderdelningen av vätejodid är en omvändbar reaktion dvs. en reversibel reaktion. Alla kemiska reaktioner är teoretiskt sett reversibla. I praktiken sker dock många reaktioner bara i en riktning. Ett par exempel är fällningsreaktionen mellan silverjoner och kloridjoner och reaktionen då bensin förbränns. Vid normala förhållanden sker dessa reaktioner i princip bara i en riktning. Reaktionspilen i en reaktionsformel anger reaktionsriktningen. Eftersom reaktionen med vätejodid, väte och jod, kan gå åt båda hållen används en dubbelpil. endoterm

2 HI(g) exoterm

H2(g) + I2(g)

ΔH = +53 kJ

reversibel reaktion – omvändbar reaktion

Pilen i en reaktionsformel visar reaktionsriktningen. Dubbelpil används för att visa att en reaktion är reversibel. För en reversibel reaktion anges ΔH för reaktionen åt höger.

När entalpiändringen, ΔH, anges på det här sättet, gäller värdet alltid för reaktionen med pilens riktning mot höger. Lägg märke till att den endoterma reaktionen gynnas när man höjer temperaturen, dvs. när man tillför värme. När man sänker temperaturen gynnas den exoterma reaktionen. För att kunna förstå sambandet mellan temperatur och reaktionsriktning behöver man veta hur kemiska reaktioner sker på molekylnivå. 31

025-036 4708591_Kap02.indd 31

2012-05-11 09.05

KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING

Reaktioner på molekylnivå

intermediär – kortlivad mellanprodukt reaktionsmekanism – reaktionsförlopp steg för steg på molekylnivå

En reaktionsformel beskriver bara vilka ämnen som reagerar och vilka som bildas. Formeln säger ingenting om hur reaktionen går till på molekylnivå, alltså hur kollisionerna mellan partiklarna sker vid reaktionen. När molekyler sönderdelas bryts bindningar och när molekyler bildas uppstår nya bindningar. På molekylnivå är det vanligt att reaktioner sker i flera steg från reaktanter till produkter via olika kortlivade mellanprodukter som kallas intermediärer. De sätt som omvandlingar sker på kallas reaktionsmekanismer.

Bindningar bryts och nya bindningar bildas Sönderdelningen av vätejodid till grundämnena väte och jod studeras på molekylnivå. En vätejodidmolekyl består av en väteatom och en jodatom som hålls ihop av en polär kovalent bindning. Det krävs energi för att bryta bindningen i en vätejodidmolekyl. När bindningarna i molekylerna bryts, bildas fria väteatomer och fria jodatomer. De fria väte- och jodatomerna har inte ädelgasstruktur. Det får de genom att bilda vätemolekyler respektive jodmolekyler. När vätemolekylerna och jodmolekylerna bildas, frigörs energi. Energin som frigörs när de nya kovalenta bindningarna bildas i väte- och jodmolekylerna, är mindre än energin som krävs för att bryta de polära kovalenta bindningarna i två vätejodidmolekyler. Därför är reaktionen endoterm. 2 HI(g) → H2(g) + I2(g)

ΔH = +53 kJ

Reaktioner kräver kollisioner Molekylerna i gasformig vätejodid är i ständig oordnad rörelse. När två vätejodidmolekyler hamnar i närheten av varandra, repellerar molekylernas elektronmoln vanligtvis varandra. Då stöts molekylerna ifrån varandra utan att bindningarna i vätejodidmolekylerna bryts. För att två molekyler ska reagera, måste de kollidera med rätt sidor mot varandra. De måste kollidera på ett geometriskt gynnsamt sätt. De måste dessutom ha tillräckligt hög hastighet. Det innebär att de har tillräckligt hög rörelseenergi för att övervinna de repellerande krafterna mellan molekylernas elektronmoln. Molekylerna måste ha rätt orientering och tillräckligt hög rörelseenergi. 32

025-036 4708591_Kap02.indd 32

2012-05-11 09.05

KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING Bilden visar två av flera möjliga reaktionsmekanismer.

[H2I2]

Geometriskt ogynnsam kollision. Geometriskt ogynnsam kollision.

Geometriskt och energimässigt gynnsam kollision.

Om båda villkoren uppfylls, bildas vid vissa reaktionsbetingelser ett aktiverat komplex, [H2I2], som består av de två väteatomerna och de två jodatomerna från vätejodidmolekylerna. Det aktiverade komplexet är en intermediär, en instabil mellanprodukt, med högt energiinnehåll och som därför bara existerar en kort tid. När det faller sönder bildas en vätemolekyl och en jodmolekyl.

aktiverat komplex – kortlivad intermediär med högt energiinnehåll

2 HI(g) → [H2I2] → H2(g) + I2(g)

Det aktiverade komplexet kan också falla sönder så att reaktanterna återbildas.

Aktiveringsenergi vid kemiska reaktioner Hur energin i de reagerande ämnena förändras vid sönderdelningen av vätejodid till väte och jod framgår av den vänstra figuren på nästa sida. Diagrammet visar att det aktiverade komplexet har högre entalpi än vätejodid i utgångsläget. Vid hög temperatur rör sig många vätejodidmolekyler med höga hastigheter och har tillräckligt höga rörelseenergier för att kunna bilda aktiverade komplex. Den energi som måste tillföras för att bilda aktiverade komplex, kallas aktiveringsenergi, Ea. Aktiveringsenergin är differensen mellan reaktanternas entalpi och entalpin hos det aktiverade komplexet. Aktiveringsenergin är den energi som måste tillföras för att det aktiverade komplexet ska bildas. Molekyler i en gas rör sig oordnat åt alla håll och har olika hastigheter och rörelseenergier. Vid hög temperatur har molekylerna i genomsnitt högre hastighet än vid låg temperatur. Sannolikheten för att molekylerna ska kollidera ökar med temperaturen. När det sker fler kollisioner, inträffar också fler kollisioner som leder till reaktioner. Vid högre temperatur bildas därför fler aktiverade komplex än vid lägre temperatur.

En spontan reaktion är en reaktion som när den har startat, fortsätter utan ytterligare energitillförsel.

025-036 4708591_Kap02.indd 33

2012-05-11 09.05

KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING

Väte och jod kan, som tidigare beskrivits, reagera med varandra och återbilda vätejodid. H2(g) + I2(g) → 2 HI(g) entalpi

entalpi

[H2I2]

aktiverat [H2I2] komplex

aktiverat komplex

Ea (aktiveringsenergi)

Ea (aktiveringsenergi) H2 + I2

H 2 + I2

reaktanter

produkter

2 HI

produkter

reaktanter

reaktionsförlopp

Energidiagram för sönderdelning av vätejodid. Reaktionen är endoterm.

Energidiagram för bildning av vätejodid. Reaktionen är exoterm.

När man jämför de båda diagrammen ser man att aktiveringsenergin för bildandet av vätejodid är lägre än aktiveringsenergin för sönderdelningen av vätejodid. Vid låg temperatur har bara ett fåtal vätejodidmolekyler tillräckligt höga rörelseenergier, för att bilda aktiverade komplex, när de kolliderar med varandra. Sannolikheten för varje enskild vätejodidmolekyl att sönderfalla (den endoterma reaktionen) är då ganska liten. Vid en reaktion som påskyndas av en katalysator är reaktionsmekanismen ofta en annan än den är utan katalysator. Det bildas då aktiverade komplex med lägre energi än utan katalysator. Det medför att aktiveringsenergin är lägre. Då ökar antalet kollisioner där partiklar har tillräckligt hög energi för att bilda aktiverade komplex. Reaktioner med katalysator har alltså lägre aktiveringsenergi än reaktioner utan katalysator. Om man ska få bollen i korgen vid basketspel, måste bollen först komma högre än korgens kant för att komma ner i korgen och ge poäng. På samma sätt behöver reaktanter aktiveringsenergi för att en reaktion ska ske.

entalpi

Reaktionsförlopp med och utan katalysator.

EaI

II EaII

utan katalysator H

med katalysator

reaktionsförlopp

025-036 4708591_Kap02.indd 34

2012-05-11 09.05

KAPITEL 2 REAKTIONERS HASTIGHET OCH RIKTNING

SAMMANFATTNING • Reaktionshastighet anger hur stor substansmängd av ett ämne som förbrukas eller bildas per tidsenhet,

Begrepp

eller hur mycket koncentrationen av ett av dessa aktiverat komplex

katalysator

aktiveringsenergi

momentan reaktion

dubbelpil

reaktionshastighet

samt. Reaktioner mellan joner i vattenlösning sker ofta

endoterm reaktion

reaktionsmekanism

momentant.

exoterm reaktion

reaktionsriktning

gynnsam kollision

reversibel reaktion

intermediär

spontan reaktion

ämnen ändras per tidsenhet. • Reaktioner mellan fasta ämnen går vanligtvis lång-

• Reaktionshastigheten ökar med temperaturen och med koncentrationerna av de ämnen som deltar i reaktionen. • Reaktioner där kovalenta bindningar bryts och bildas sker långsammare än reaktioner mellan joner i vattenlösning. • En katalysator ökar reaktionshastigheten genom att ändra reaktionsförloppet så att det krävs lägre aktiveringsenergi. Efter reaktionen finns katalysatorn kvar oförändrad. • I en endoterm reaktion upptas värme från omgivningen och entalpin ökar. • I en exoterm reaktion avges värme till omgivningen och entalpin minskar. • Pilen i en reaktionsformel visar reaktionens riktning. • En reversibel reaktion är en omvändbar reaktion, en reaktion som kan ske i båda riktningarna. • Intermediär är en mellanprodukt som bildas medan en kemisk reaktion pågår. Intermediären är kortlivad och reagerar vidare. • Aktiverat komplex är en kortlivad mellanprodukt med hög energi. • Aktiveringsenergi är den energi som måste tillföras för att en reaktion ska ske.

025-036 4708591_Kap02.indd 35

2012-05-11 09.05

KEMIBOKEN

HANS BORÉN MONIKA LARSSON BIRGITTA LINDH JOHANNA LUNDSTRÖM MAUD RAGNARSSON STEN-ÅKE SUNDKVIST

Best.nr 47-08591-0 Tryck.nr 47-08591-0

4708591_omslag.indd 1

2012-05-11 08.43