GRUNDLÄGGANDE KEMI

Kemi är en vetenskap som fokuserar på hur materia är uppbyggt och hur den omvandlas mellan olika former. Storleksordningen på det man inom kemin arbetar med är vanligtvis på atomnivå, upp till cellnivå.

Kemi var från första början något som vi idag kallar för alkemi, att göra oädla metaller till guld. Med dessa försök uppstod en kunskap om hur ämnen beter sig, och hur de kan omvandlas genom reaktioner med andra ämnen. Dagens kemi är otroligt omfattande, och går in i både fysiken och biologin. 

Frågor till provet

1) Vad är skillnaden på en atom och en molekyl?

2) Vad menas med ett grundämne och ge minst 3 exempel.

3) Vad är en kemisk förening, ge minst 3 exempel.

4) Olika ämnen har olika egenskaper, ge 3 exempel på olika egenskaper.

5) Berätta så mycket du kan om kolets kretslopp i naturen.

6) Hur kan vi människor använda oss av olika metaller?

7) Hur får vi fram olika metaller från naturen?

8) Hur och varför återvinner vi olika ämnen från naturen?

ATOMER

Allt runt omkring oss är uppbyggt av olika ämnen, som i sin tur oftast består av mycket små partiklar som kallas atomer. Det finns bara omkring hundra olika sorters atomer, men dessa kan kombineras på nästan oändligt många sätt och bygger på så vis upp alla de miljoner och åter miljoner olika ämnen som finns i vår värld. I den här artikeln, tillsammans med dess underartiklar (se menyn till vänster) tar vi oss en närmare titt in i atomernas värld.

Materia byggs upp av atomer

Nästan all materia är uppbyggd av atomer. Du består själv av flera kvadriljoner atomer (en kvadriljon är en etta följd av 24 nollor). Också luften består av atomer, även om den inte går att se. I en liter luft finns det inte mindre än 50 sextillioner atomer (en sextioljon är en etta följd av 21 nollor).

Som man kan förstå är en atom väldigt liten. Man brukar säga att de flesta atomer är omkring 0,0000001 mm i diameter, vilket är det samma som en tiomiljontedels millimeter. En enda atom är därför helt omöjlig att se med blotta ögat. Att vi trots detta kan vara väldigt säkra på att atomer existerar är resultatet av flera mycket välgjorda experiment, bland annat av John Dalton och Albert Einstein. På senare år har man även lyckats "fotografera" atomer med hjälp av elektronmikroskop med kraftig förstoring (se bilden till höger).

Varför är dessa små byggstenar då så viktiga om de inte ens går att se? Jo, det är atomerna som ger ett ämne dess egenskaper. Det är till exempel guldatomernas egenskaper som får guld att bli gyllene och det är väte- och syreatomerna som ger vatten dess unika och livsviktiga egenskaper. De är också atomernas egenskaper som ligger bakom olika typer av kemiska reaktioner. Dessutom hjälper kunskapen om atomer kemister att räkna ut vilka ämnen som bildas vid dessa. Utan kunskapen om att världen är uppbyggd av atomer vore det svårt för kemister att förstå och förklara sin omvärld.

Sedan långt tillbaka i mänsklighetens historia har andra teorier om hur materia är uppbyggt förekommit. Länge var det vanligt att man trodde att allt var uppbyggt av fyra element - vatten, luft, eld och jord. I dag är dessa idéer nästan helt borta från människors världsbild. Genom vetenskapliga undersökningar har forskare kommit fram till att den moderna atomteorin i stället är den teori som är överlägset bäst, både när det gäller att förklara och när det gäller att förutsäga resultatet av olika experiment.

Dagens atommodell

För att beskriva atomer har man utarbetat olika modeller, det vill säga förenklade bilder av verkligheten. I dagens modeller innehåller alla de hundra typer av atomer som forskarna känner till två viktiga delar; en atomkärna i mitten och ett antal partiklar (små delar) som kallas elektroner och som rör sig i mycket hög fart runt omkring den. Kärnan består i sin tur av två typer av partiklar; protoner och neutroner. Jämför vi dessa tre partiklars storlek och massa finner vi att protonerna och neutronerna är ungefär lika stora, medan elektronerna är betydligt mindre.

De olika partiklarna i atomen har olika elektrisk laddning, vilket ger dem olika egenskaper och roller i atomen. En partikel kan antingen vara positivt laddad, negativt laddad eller oladdad (alltså varken positivt eller negativt laddad). Det är viktigt att komma ihåg att en atom som helhet alltid är oladdad vilket innebär att alla negativa laddningar vägs upp av lika många positiva laddningar och vice versa.

Protonerna är alltid positivt laddade och har laddningen 1+. Tillsammans med de oladdade neutronerna bildar de atomens kärna. Utan neutronerna hade kärnan inte kunnat hålla ihop, eftersom alla plusladdningarna hade stött bort varandra. De mycket små, negativt laddade elektronerna rör sig runt kärnan och har laddningen 1−. Tack vare att partiklar med olika laddning dras mot varandra kan elektronerna hållas kvar i närheten av kärnan (men bland annat deras höga fart leder till att de aldrig dras in i kärnan, utan håller sig utanför).

Eftersom atomer alltid är oladdade är antalet protoner och elektroner alltid lika stort. En atom som innehåller tio protoner innehåller alltså också tio elektroner. Antalet neutroner kan variera lite mer men är ungefär lika stort som antalet protoner.

Till höger visas en modell (dvs. en förenklad bild av verkligheten) av en atom som innehåller tre protoner (röda), fyra neutroner (svarta) och tre elektroner (blå).

118 olika atomslag (grundämnen)

Atomer kan innehålla olika antal av de olika partiklarna, vilket ger dem olika egenskaper. Beroende på detta antal delas de in i olika atomslag. Exempel på olika atomslag är väte, kol, syre, järn och koppar. Varje atomslag har en kemisk beteckning (läs mer om det under formler och modeller) och en plats i det periodiska systemet (läs mer om det i artikeln med samma namn).

Forskare har genom historien och även de senaste åren upptäckt en hel del nya atomslag, och kommer kanske också att upptäcka ännu fler i framtiden. Just nu (2017) finns det 118 godkända atomslag i periodiska systemet.

Ibland använder man ordet grundämne i stället för "atomslag". Men eftersom det ordet också har en annan betydelse (läs mer om den i artikeln om grundämnen/föreningar) kan detta skapa förvirring. I våra artiklar använder vi därför hellre "atomslag", men det är ändå viktigt att du känner till att "grundämne" ibland kan vara samma sak.

I underartiklarna i menyn till vänster går det att läsa mer om elementarpartiklarna och deras roller i atomen. Det finns också ett avsnitt som atommassor och mängder som är lite överkurs för högstadiet, men som ändå kan vara av intresse.

PROTONER

Tillsammans med ett antal neutroner (i undantagsfall inga alls) bildar protonerna atomens kärna. I atommodellen till höger är protonerna utmärkta med pilar.

Symbolen p+ är en internationell förkortning för protoner. Plustecknet visar att protonerna har positiv laddning, vilket betyder att de dras till andra partiklar som har negativ laddning (t.ex. elektroner).

Antalet protoner bestämmer atomslaget

Som vi tidigare nämnt finns det omkring 100 olika sorters atomer. Gemensamt för alla är att de byggs upp av protoner, neutroner och elektroner. Det som däremot skiljer de olika atomslagen åt är antalet av dessa partiklar. Vi ska nu titta på ett par olika atomslag. Som du märker har varje atomslag tilldelats ett namn (fetmarkerat) samt en kemisk beteckning (läs mer om dem här).

Väteatomer, H, finns i bland annat vatten, vätgas samt de flesta ämnen som förekommer i levande organismer. De innehåller 1 proton, 0-2 neutroner och 1 elektron. Att väteatomens kärna under normala förhållanden helt kan sakna neutroner gör den unik bland atomslagen.

Kolatomer, C,förekommer bland annat i plast, diamanter, gasen koldioxid och träkol. Precis som väteatomerna förekommer kolatomer flitigt i levande organismer. De innehåller 6 protoner, 6-8 neutroner och 6 elektroner.

Syreatomer, O, hittar man bland annat i syrgasen vi andas, men också i vatten och ozonskiktet högt upp i atomsfären. Syreatomer har 8 protoner, 8-11 neutroner och 8 elektroner.

Vilket atomslag en atom tillhör bestäms per definition av antalet protoner. Varje atomslag har därför fått ett så kallat atomnummer som är lika med antalet protoner. Väte har exempelvis atomnummer 1, medan kol har atomnummer 6. I ett en tabell över atomslagen som kallas periodiska systemet är dessa sorterade efter atomnummer. Genom att titta i en sådan tabell kan man alltså enkelt lista ut hur många protoner ett atomslag har.

ELEKTRONER

Runt den positivt laddade atomkärnan rör sig ett antal elektroner med negativ laddning. För att atomen som helhet ska vara oladdad måste dessa vara lika många i antal som protonerna. I atommodellen till höger är elektronerna markerade med pilar.

Symbolen e− är en internationell beteckning för elektronen.

Delas upp i skal

Medan antalet protoner ger en atom dess identitet är det elektronerna som ger egenskaperna. Som vi tidigare har sett rör sig elektronerna runt den positivt laddade atomkärnan huller om buller, men om vi skulle titta riktigt noggrant på en atom skulle vi se att elektronerna föredrar att befinna sig på vissa speciella avstånd från atomkärnan. Dessa avstånd kallas för elektronskal och lätt förenklat kan vi säga att alla elektroner i en atom håller till i bestämda skal.

Låt oss titta på en modell av en kolatom. I mitten av atomen finns en atomkärna (röd boll) med sex protoner och ett antal neutroner som kan vara olika från kolatom till kolatom. Runt kärnan kretsar sex elektroner som är uppdelade på två skal. Två stycken är placerade i det första skalet från kärnan räknat medan resterande fyra stycken är placerade i det andra skalet.

För att lättare kunna omnämna elektronskalen namnger man dem från och med bokstaven K i alfabetet. Det första skalet från kärnan kallas alltså för K-skalet, nästa för L-skalet, det därefter för M-skalet och så vidare, tills dessa att vi kommer till Q-skalet (fler skal har inga atomer som man känner till i dag).

Alla dessa skal har plats för ett visst antal elektroner, som gäller oavsett vilket atomslag det handlar om. K-skalet rymmer till exempel bara 2 elektroner, medan L-skalet har plats för 8 stycken. 

Det är viktigt att komma ihåg att skalen i regel fylls på från K-skalet och utåt. Det kan vi visa med nedanstående tabell över atomslagen med atomnummer 1-18. För atomer med högre atomnummer än så fylls dock skalen på ett lite mer oregelbundet vis.

Valensskal innehåller valenselektroner...

Det yttersta skalet hos en atom (markerat med * i tabellen ovan) kallas valensskalet. Hos litium är till exempel L-skalet valensskal medan det hos fosfor är M-skalet. Elektronerna i valensskalet kallas valenselektroner.

Ett valensskal fylls aldrig med mer än 8 elektroner, vilket man kallar oktettregeln(dock kan dessa skal få plats med fler elektroner när de inte längre är valensskal). Atomer som har 8 elektroner i sitt yttersta skal (eller 2 elektroner när det gäller K-skalet) sägs ha ädelgasskal vilket är ett mycket stabilt tillstånd. De atomslag som har ädelgasskal kallas för ädelgaser, just för att de i regel är just gaser.

Övningsuppgift 1Svar

Kanske kan du själv lista ut vilka tre atomslag i tabellen ovan som är ädelgaser?

Alla atomer strävar efter att uppnå ädelgasskal i och med att naturen strävar efter stabilitet. I sin strävan efter detta kan det hända att vissa atomer lämnar ifrån sig eller tar upp en/flera elektroner. Då är atomen inte längre en atom, eftersom antalet protoner inte längre är samma som antalet elektroner. En sådan laddad "atom" kallas för en jon.

Joner förekommer flitigt i naturen (bland annat i rost och salt) och är liksom atomer viktiga byggstenar. Mer om dessa kan du läsa i artikeln om joner.

...som ger atomen dess egenskaper

Eftersom valenselektronerna är de elektroner som befinner sig längst från kärnan påverkas de inte av lika stor kraft som övriga elektroner. Därför sitter de lite löst och kan lätt påverkas av eller påverka andra atomer. Detta medför att det till stor del är valenselektronerna som bestämmer ett atomslags egenskaper.

Litium har till exempel bara en valenselektron och gör sig gärna av med den för att uppnå ädelgasskal. Detta medför exempelvis att litium reagerar kraftigt med vatten. Samma sak gäller atomslagen natrium och kalium, som också bara har en valenselektron.

Att atomslag som har samma antal valenselektroner ofta har liknande egenskaper är en viktig regel att komma ihåg.

NEUTRONER

I en atom bildar oladdade neutroner tillsammans med positivt laddade protoner själva kärnan. Funktionen neutronerna fyller där är att de gör de attraherande, så kallade starka krafterna som verkar mellan partiklarna i en atomkärnan starkare, vilket förhindrar att de positivt laddade protonerna stöter bort varandra.

I modellen till höger är neutronerna utmärkta med pilar. Symbolen n är en internationell beteckning för neutroner.

Varierar i antal, vilket ger upphov till isotoper

Antalet protoner och elektroner i ett visst atomslag är alltid konstant, men antalet neutroner kan variera. De flesta kolatomer har till exempel sex neutroner, men någon procent av alla kolatomer har sju stycken.

Båda dessa varianter har sex protoner och är därför av samma atomslag. De har också lika många elektroner (sex) vilket ger dem samma egenskaper. Det enda som skiljer dem åt är alltså att varianten med sju neutroner är något tyngre.

Atomer som bara skiljer sig åt genom antalet neutroner kallas för isotoper. När man namnger olika isotoper av ett atomslag brukar man lägga ihop antalet protoner och neutroner. Detta värde kallas isotopens masstal. En kolatom med sex protoner och sex neutroner har masstalet 12 och kallas för en kol-12-atom. Med kemiska beteckningar skrivs detta 12C. Isotopen med sju neutroner kallas enligt samma system för en kol-13 (betecknass 13C) och ytterligare en kol-isotop som är ännu ovanligare kallas för kol-14 (14C).

ÖvningsuppgiftSvar

Vilket masstal tror du litiumatomen som modellen i början artikeln föreställer har?

Det finns inte hur många isotoper av ett atomslag som helst. Blir antalet neutroner för stort eller för litet klarar inte atomkärnan av att hålla ihop utan faller sönder. Under sönderfallet avges radioaktiv strålning, vilket ofta är mycket skadligt för levande organismer. Atomer med kärnor som lätt "går sönder" sägs vara radioaktiva. Kolisotopen kol-14 är ett exempel på detta, vilket leder till att koncentrationen av kol-14-atomer i olika föremål minskar med tiden när dessa faller sönder. Genom att undersöka hur mycket kol-14 som finns kvar i exempelvis ett fossil kan forskare därmed avgöra hur länge sedan organismen det föreställer levde (metoden kallas för kol-14-metoden).

Ett annat atomslag med intressanta isotoper är väte. Den vanligaste väteisotopen är väte-1, vars kärna enbart består av en proton. Vissa väteatomer innehåller dessutom en neutron och kallas för väte-2 (eller deuterium, som kommer av det grekiska ordet för "den andre"). Det finns också oerhört små koncentrationer av en tredje, radioaktiv väteisotop som har en proton och två neutroner i kärnan - väte-3 (eller tritium, vilket ungefär betyder "den tredje" på grekiska).

Tritium- och deuteriumkärnor reagerar med varandra i många stjärnors (däribland vår egen sols) inre vilket leder till att stora mängder strålning, bland annat i form av ljus, frigörs. Man hoppas kunna återskapa denna process på jorden, vilket hade kunnat bli lösningen på våra energiproblem.

Vid dagens kärnkraft använder man för det mesta radioaktiva isotoper av atomslaget uran, eftersom man vill ta till vara på strålningen som avges när man tvingar urankärnorna att falla sönder. Vid denna process bildas många kraftigt radioaktiva isotoper av andra atomslag, som måste hållas borta från människor i flera miljoner år eftersom strålningen är så farlig. Också när kärnvapen används bildas radioaktiva isotoper som kan göra stora ytor obeboeliga.

MOLEKYLER

I artikeln om atomer har du lärt dig om hur i stort sett all materia byggs upp av atomer. Men vanligtvis är det inte fria atomer som bygger upp materien utan grupper av atomer som kallas för molekyler.

Varje molekyl innehåller minst två atomer (men kan innehålla upp till flera miljarder stycken). Och eftersom varje atom är så försvinnande liten, är molekyler vanligtvis också väldigt små. Det går alltså sällan urskilja enskilda molekyler i ett ämne utan kraftiga elektronmikroskop.

Låt oss titta på några exempel på ämnen som byggs upp av molekyler. Ett mycket enkelt sådant ämne är vätgas som förr användes i luftskepp eftersom det är en väldigt lätt gas (detta slutade man dock med eftersom det visade sig att gasen också är mycket explosiv). Vätgasmolekylerna består av väteatomer som sitter ihop två och två.

Ett annat exempel är vatten, som består av vattenmolekyler. Varje sådan molekyl innehåller en syreatom och två väteatomer som sitter ihop i en Musse Pigg-liknande formation.

Även etanol som står för alkoholhaltiga dryckers berusande (och giftiga) verkan består av molekyler. Varje etanolmolekyl består av två kolatomer, sex väteatomer och en syreatom.

Som vi nämnde innan finns det också riktigt stora molekyler. Ett exempel är de DNA-molekyler som finns inne i våra celler och som bär på våra arvsanlag. De innehåller flera miljarder atomer av atomslagen kol, syre, väte, kväve och fosfor (det exakta antalet kan dock variera från molekyl till molekyl).

I figuren längst upp visas modeller av dessa fyra ämnens molekyler.

Lite om molekylbindning (överkurs)

Det som håller ihop en molekyl är en slags kemisk bindning som kallas för molekylbindning (ett annat namn är kovalent bindning). Den fungerar genom att atomerna som ingår i molekylen delar på ett eller flera elektronpar (ett elektronpar är det samma som två elektroner). Ett sådant gemensamt elektronpar kallas för bindning och visas med ett streck mellan atomerna i en strukturformel.

Anledningen till att molekylbindningen uppstår är att naturen strävar efter att ge atomerna ädelgasskal (repetera gärna detta i artikeln om elektroner). Ser vi exempelvis till väteatomerna som ingår i vätgas vill dessa ha två elektroner i sitt K-skal för att likna ädelgasen helium. Detta tillstånd lyckas de komma nära genom att låta sina totalt två elektroner befinna sig runt båda atomernas kärnor. Då kan man se det som att båda väteatomerna tycker sig ha två elektroner i sitt K-skal. Detta illustreras i bilden nedan.

I det här youtube-klippet visas på ett mer verklighetstroget sätt vad som händer med de två elektronerna när två väteatomer bildar en vätgasmolekyl. I slutet av filmen visas hur syreatomer respektive kväveatomer också kan slås ihop. Detta sker genom att de delar på två respektive tre elektronpar. Då uppstår bindningar som kallas dubbel- respektive trippelbindningar. Oftast är sådana lite starkare än vanliga enkelbindingar, där atomerna bara delar på ett elektronpar.

Bilden här nedanför är en modell av en vattenmolekyl och visar hur syreatomen delar på ett elektronpar med vardera väteatom. På så vis får väteatomerna två elektroner i sitt K-skal (och liknar helium), samtidigt som syreatomen får åtta elektroner i sitt L-skal (och liknar neon). Alla atomer kan alltså sägas ha fått ädelgasskal.

BLANDNINGAR

Kemister känner i dag till miljontals olika ämnen - vatten, socker, syre och koksalt är bara några exempel. Men faktum är att dessa miljontals ämnen mycket sällan uppträder ensamma. Oftast är de i stället blandade med varandra. Men vad är egentligen skillnaden mellan en blandning och ett rent ämne? Vad kallas olika sorters blandningar? Och går det att skilja på ämnen som man en gång har blandat?

VAD ÄR EN BLANDNING?

Kemister skiljer på blandningar och rena ämnen. Men vad är egentligen skillnaden? I den här artikeln försöker vi reda ut begreppen.

För att uttrycka sig enkelt består rena ämnen alltid av bara en sorts molekyler (i vissa ämnens fall rör det sig i stället om andra enheter, till exempel fria atomer). Rent vatten består till exempel bara av just vattenmolekyler, rent socker bara av sockermolekyler och rent helium bara av fria heliumatomer.

Men i naturen är rena ämnen en ovanlighet - det är mycket vanligare att ämnen är blandade med varandra på olika sätt. Man brukar säga att en blandning består av två eller flera sorters molekyler eller atomer som är mer eller mindre fria från varandra.

Observera att det är stor skillnad på begreppen "blandning" och "kemisk förening". En kemisk förening innehåller förvisso flera olika atomslag, men dessa sitter ihop och bildar en enda sorts molekyler eller salter och är därför ingen blandning. Läs mer om begreppet kemisk förening här.

Låt oss titta på ett par exempel. I figuren nedan finns modeller av fyra olika behållare (märkta A-D) med olika innehåll. I modellerna motsvaras röda bollar av syreatomer och blå bollar av kväveatomer. Vilka av dem som innehåller blandningar och vilka som innehåller rena ämnen ska vi nu ta en närmare titt på.

Behållare A innehåller syrgasmolekyler (två syreatomer som sitter ihop). Eftersom den bara innehåller en slags molekyler måste det vara ett rent ämne.

Behållare B innehåller bara kvävgasmolekyler (två kväveatomer som sitter ihop) och är därför också ett rent ämne.

Hur är det ställt med behållare C då? Jo, i den hittar vi både syrgasmolekyler och kvävgasmolekyler. Behållare C innehåller alltså två sorters molekyler varför innehållet är en blandning.

I behållare D hittar vi kvävedioxidmolekyler (en kväveatom som sitter ihop med två syreatomer). Eftersom behållaren är tom så när som på dessa kan innehållet inte vara annat än ett rent ämne. (Däremot är kvävedioxid en kemisk förening eftersom molekylerna innehåller två atomslag.)

LÖSNINGAR

En av de allra vanligaste typerna av blandningar är lösningar som finns nästan över allt. Så vitt skilda saker som matolja, saft, saliv, fluorskölj, urin, mässing och utandningsluft är alla exempel på viktiga lösningar från vardagen. Men vad innebär egentligen begreppet "lösning"? För att förstå begreppet ska vi nu titta på ett exempel.

Blandar du socker med vatten kommer du att märka att sockret delar upp sig i mindre bitar för att till sist "försvinna" i vattnet. Egentligen försvinner det dock inte på riktigt - om du smakar på blandningen kommer du fortfarande kunna känna sockrets söta smak. Det som händer är i stället att vattnets molekyler krockar med sockret och griper tag i det så att det delar upp sig i sin minsta enhet, sockermolekyler, som är så små att de inte syns. Detta kallar man för att sockret löser upp sig. Det vi får då är ett exempel på en lösning.

En lösning innehåller små partklar av ett ämne (joner, molekyler eller atomer beroende på vilket ämne det rör sig om) som är jämt utspridda i ett lösningsmedel (det är så det ämne som det finns mest av i lösningen kallas). De ämnen som är utspridda i lösningsmedlet kallas för lösta ämnen. I vår socker-vatten-lösning är det sockret som är det lösta ämnet och vattnet som är lösningsmedel. Detta kallar man för att sockret är löst i vatten.

Vatten är ett mycket vanligt och viktigt lösningsmedel men också etanol (används för upplösning av smuts och fläckar), aceton (används för att lösa upp nagellack) och lacknafta (används som lösningsmedel i flytande målarfärger) är exempel på användbara lösningsmedel.

Eftersom molekylerna i en lösning är jämt utspridda är en lösning alltså en homogen blandning. Faktum är att man kan påstå att orden är synonyma. Alla homogena blandningar är alltså typer av lösningar.

Lösningar finns i alla aggregationsformer

En sorts lösningar som man inte tänker på direkt är lösningar av gaser. Också där är molekylerna jämt utspridda och omöjliga att särskilja med blotta ögat. Detta kallar man mer precist för gasblandningar.

Gaser kan också vara lösta i en vätska - i vatten finns det till exempel en liten, liten andel syrgas, som gör att fiskar och andra vattenlevande organismer kan andas. Också gasen koldioxid är löslig i vatten - det är genom att pressa ner stora mängder koldioxid i vatten som läskedrycker kolsyras (den lösta koldioxiden reagerar med vattenmolekyler och bildar kolsyramolekyler). Observera dock att en del av koldioxiden bildar bubblor när läskflaskan öppnnas och att dessa inte är en del av lösningen.

Slutligen finns det också lösningar av metaller vilket man kallar för legeringar. Mässing, som man använder till mätinstrument, är en typisk legering. Det är en jämn blandning av metallerna koppar och zink, vilket ger legeringen ändamålsenliga egenskaper. Också stål är en legering där metallerna järn och krom får sällskap av kol. För att framställa en legering måste man smälta metallerna först, blanda dem med varandra och därefter låta blandningen stelna - medan meallerna är i fast fas går de nämligen inte att blanda med varandra.

LÖSLIGHET

Vissa ämnen löser sig lättare än andra i ett visst lösningsmedel (såsom vatten). Medan det till exempel går att lösa ca. 36 g koksalt i en dl vatten vid rumstemperatur går det att lösa ca. 200 g socker i samma volym vatten vid samma temperatur. Detta kallar man för att ämnena har olika löslighet.

Lättlösliga, blandbara och olösliga ämnen

Koksalt och socker är exempel på ämnen som väldigt lätt löser sig i vatten. Detta kallar man att de är lättlösliga i vatten. Ämnen som är oändligt lösliga i varandra kallas blandbara, vilket etanol och vatten är exempel på. Det går att lösa oändligt mycket etanol i vatten och vice versa. Ämnen som däremot är väldigt svåra att lösa i vatten sägs vara svårlösliga. Ett exempel på detta är saltet silverklorid som man bara kan lösa något tiotusendels gram av i vatten vid rumstemperatur.

Andra ämnen kan (i stort sett) inte bilda någon lösning med varandra överhuvudtaget. Matolja och vatten är ett bra exempel på detta. Man säger att matolja är olösligt i vatten, eller att vatten är olösligt i matolja. Anledningen till detta är lätt förenklat att vattenmolekyler håller ihop på ett sätt som matoljans molekyler inte passar in i.

Vad påverkar lösligheten?

Lösligheten för ett ämne i ett visst lösningsmedel varierar med temperaturen, men exakt på vilket sätt varierar från ämne till ämne. Ibland ökar lösligheten med temperaturen. Detta gäller till exempel för koksalts och sockers löslighet i vatten. Det går att lösa lite mer koksalt och mer socker i varmt vatten än i kallt, även om skillnaden är inte så stor.

I andra fall minskar lösligheten med temperaturen. De flesta gaser är ett exempel på det. Den som har haft ett glas kranvatten stående i rumstemperatur ett par timmar vet att det bildas små luftbubblor i vattnet efter hand. Detta beror på att kallvatten innehåller en liten andel löst kväve och syre när det tappas från kranen. När vattnets temperatur stiger till rumstemperatur minskar lösligheten för gasmolekylerna, som då klumpar ihop sig och bildar små bubblor.

För framför allt gasers löslighet i vätskor finns det ytterligare en faktor som spelar roll, nämligen trycket. Ju högre tryck desto mer löslig är gasen. I en flaska läsk eller mineralvatten är trycket ofta väldigt högt vilket leder till att drycken kan innehålla mycket löst koldioxid (det är en del av denna koldioxid som bildar kolsyran). När flaskan öppnas minskar trycket och läsken kan inte längre hålla kvar alla koldioxidmolekyler, som då slår ihop sig och bildar bubblor.

KONCENTRATION

Låt oss säga att vi ska lösa socker i ett lösningsmedel (till exempel vatten eller etanol). Tar vi mycket socker och blandar med lösningsmedlet kommer varje liter av lösningen som bildas att innehålla många sockermolekyler. Detta kallar kemister att sockerlösningen är koncentrerad.

Tar vi däremot väldigt lite socker till samma volym av vätskan, kommer det att finnas färre sockermolekyler per liter i den. Detta kallar kemister att lösningen är utspädd. Har man en koncentrerad lösning kan också späda ut den genom att blanda i mer av lösningsmedlet.

Man kan också göra en lösning mer koncentrerad genom att blanda i mer av det lösta ämnet. Men detta går inte att göra hur länge som helst. Försöker vi lösa väldigt mycket socker i vatten, i en bägare kommer vi märka att sockret till slut slutar lösa sig och i stället lägger sig på bägarens botten. Detta beror på att vattenmolekylerna inte klarar av att lösa upp fler än ett bestämt antal sockermolekyler. Lösningen har med andra ord blivit "mätt" på socker. På kemispråk kallar man detta för att lösningen har blivit mättad.

Genom att värma vattnet kan vi dock lösa ännu mer socker i det. Detta fungerar eftersom lösligheten för socker ökar med lösningsmedlets temperatur. Men så fort vattnet kallnar igen kommer sockerkristaller att bildas på bägarens botten, eftersom lösligheten blir mindre när temperaturen minskar.

MATERIENS TRE FORMER

Nästan all materia går att hitta i tre former - fast fas, vätskefas och gasfas. Dessa former kallas också aggregationsformer eller faser och är något vi ständigt stöter på i vardagen.

Luften som du andas innehåller bland annat syre i gasfas. Vattnet som du dricker består av vatten i vätskefas och trottoaren som du går till skolan på är asfalt som består av ämnen i fast fas.

Men vad är speciellt med dessa aggregationsformer? Låt oss titta närmare på dem under rubrikerna nedan. Till varje aggreagationsform finns en modell för hur ett ämne ser ut i just den fasen kan se ut på molekylnivå. De partiklar som ämnet byggs upp av (med "partiklar" menar vi hädanefter atomer, molekyler eller joner, beroende på vilket ämne det är) symboliseras här av en blå boll.

Fast fas

När ett ämne är i fast fas ligger partklarna nästan helt stilla (de kan dock vibrera lite), tätt packade i ett visst mönster - varje molekyl (eller atom) på sin bestämda plats. Det är därför inte särskilt lätt att trycka ihop ett fast ämne.

Exempel på materia som normalt sett är i fast fas är koppar, sten och plast.

Vätskefas

Ett ämne i vätskefas håller däremot inte ihop lika bra. Partiklarna rör sig lite huller om buller och ämnets form bestäms i stort sett bara av vilken behållare som används. Men det finns ändå vissa krafter mellan varje enhet i ämnet, som förhindrar att partiklarna flyger i väg helt och hållet.

Ett ämne i vätskefas kallas för en vätska. Exempel är vatten, bensin och matolja, som alla är vätskor under normala förhållanden.

Gasfas

I ämnen som är i gasfas (så kallade gaser) håller partiklarna knappt ihop alls. Varje enhet är fri att flyga åt vilket håll det vill. Så är det till exempel i luften där molekylerna rör sig huller om buller och sprider ut sig åt alla håll. Även för ämnen i gasfas styrs alltså formen av behållarens form. Till skillnad från vätskor och fasta ämnen är det inte så svårt att pressa ihop (komprimera) ett ämnen i gasfas, i och med att det är förhållandevis stora avstånd mellan partiklarna.

Plasma

Förutom de tre aggregationformer som man normalt diskuterar inom kemin finns det ytterligare ett par stycken som dyker upp vid mer extrema temperaturer och tryck. Den enda som dyker upp i vardagliga sammanhang är plasma som bildas när materia tillförs tillräckligt mycket energi (t.ex. i form av extremt hög temperatur) för att elektronerna ska slitas loss från atomkärnorna i materian och bildar en gasformig blandning av negativt och positivt laddade partiklar. Det är i detta tillstånd som materian i solen befinner sig, men också materian i ljuslågor, lysrör och plasma-tv-skärmar.

RÖRELSER PÅ MOLEKYLNIVÅ

En skidåkare som glider fram i skidspåret, en rymdfärja på väg till månen, vatten som forsar ner för ett vattenfall, en fotboll som flyger rakt mot vänstra krysset eller en kemibok som färdas mot väggen efter att du för femtioelfte gången misslyckats med att lösa en uppgift. Alla är de exempel på föremål i rörelse och som - beroende på sin fart och massa - har en viss mängd rörelseenergi.

Men faktum är att även föremål i som vid första anblicken är helt stilla - en rymdfärja på uppskjutningsplatsen, vatten upphällt i ett glas, en fotboll placerad på straffpunkten - faktiskt är fulla av rörelse. I alla fall om vi går ner på molekylnivå...

Ta vattnet i glaset till exempel. Även om det ser ut att ligga stilla är vattenmolekylerna i full rörelse. De vibrerar, krockar med varandra och snurrar runt. Samma sak är det med luftmolekylerna inne i fotbollen, som är ännu rörligare. Också metallatomerna i rymdfärjans skrov och plastmolekylerna i fotbollen rör på sig, även om de är lite mer stillsamma av sig och bara vibrerar.

Så här är det med all materia - partiklarna (oftast molekylerna) som den byggs upp av är i ständig rörelse. Summan av partiklarnas rörelseenergi kallas för termisk energi eller värmeenergi. Och det är inte så konstigt, eftersom partiklarnas rörelseenergi är tätt sammankopplat med ämnets temperatur.

Ju högre temperatur, desto mer och snabbare rör sig nämligen partiklarna. Motsatsen gäller förstås också - ju lägre temperatur något har, desto mindre och långsammare rör sig partiklarna. Man kan även uttrycka det som att temperaturen är ett mått på partiklarnas genomsnittliga rörelseenergi.

Tillbaks till vattnet i glaset. Om vi sätter in det i kylskåpet ett tag minskar molekylernas rörelseenergi och temperatur. Sätter vi det däremot det i en varm ugn kommer rörelseenergin och temperaturen öka.

Hur hög partiklarnas rörelseenergi (och därmed temperatur) kan bli finns det ingen säkert fastställd gräns på. Men det finns en på hur låg den (teoretiskt) kan bli. Rörelseenergin hos partiklarna kan ju bara bli som minst 0 joule, vilket innebär att de är helt stilla och då är även temperaturen så låg som den kan bli. Denna absolut lägsta temperatur som något kan ha kallas för den absoluta nollpunkten och ligger på ungefär −273,15 °C.

Man har dock aldrig uppmätt en riktigt så låg temperatur. Ute i rymden, mellan alla stjärnor, planeter och andra himlakroppar är temperaturen ungefär tre grader över absoluta nollpunkten. Det är extremt kallt, men man har lyckats komma ännu närmre i laboratorium här på jorden - bara några hundratusendelars grader ifrån!

Mest logiskt vore förstås om den lägsta möjliga temperaturen hade värdet 0. Därför har man infört en speciell temperaturskala, som används inom vetenskapen, där den absoluta nollpunkten är placerad på 0 K (noll kelvin).

FASÖVERGÅNGAR

Så gott som alla ämnen kan existera i alla tre aggregationsformer. Vatten kan till exempel finnas både som is (fast fas), en vätska (vätskefas) och som vattenånga (gasfas). Vilken av formerna ett ämne är i, beror på dess temperatur och tryck.

I den här artikeln ska vi se hur det är möjligt att få ett ämne att gå över från en aggregationsform till en annan. Detta kallas för fasövergångar. Innan du läser vidare kan det vara bra att ha koll på det som gås igenom i artikeln om rörelser på molekylnivå.

Smältning - från fast fas till vätskefas

Låt oss säga att vi har en isbit - alltså vatten i fast fas. Som vi tidigare har nämnt kommer vattenmolekylerna att sitta ihop med varandra på bestämda platser i isbiten utan att röra sig så värst mycket. Man kan säga att deras rörelseenergi är låg.

Men om vi lägger isbiten i en bägare och värmer den på en värmeplatta kommer vattenmolekylerna att få energi från värmen och därmed börja röra sig lite. Håller vi på tillräckligt länge kommer de att få så pass mycket rörelseenergi att de inte längre kan hålla sig kvar på sina bestämda platser utan i stället börjar röra sig mer huller om buller (även om de fortfarande håller ihop). Det som har hänt är att isbiten har smält och gått över till vätskefas. Det är alltså fortfarande vatten - men i en annan form.

Som du säkert kan förstå behöver vi tillföra värme för att smälta ett ämne. Temperaturen vid vilken ett ämne smälter kallas smältpunkt. För vatten ligger den på 0 °C.

Kokning - från vätskefas till gasfas

Säg att vi fortsätter att värma vattnet. Till slut har molekylerna fått så mycket rörelseenergi att de inte klarar att hålla ihop över huvud taget utan kommer att lämna bägaren och sprida ut sig i rummet. Det som har hänt är att vattnet har kokat och övergått till gasfas.

Även här behöver vi tillföra värme. Den temperatur vid vilken ett ämne kokar kallas kokpunkt. För vatten ligger den på 100 °C.

Avdunstning - kokning under kokpunkten

Om du tänker efter har du säkert märkt att ett ämne kan gå från vätskefas till gasfas även vid temperaturer under kokpunkten. Atmosfären innehåller ju alltid mer eller mindre vattenånga, som har avdunstat från jordytan. Trots detta är det mycket sällan temperaturen blir så hög som 100 °C under normala förhållanden. Hur kommer då detta sig?

Jo, temperaturen i en vätska är ju ett mått på molekylernas genomsnittliga rörelseenergi. Även om denna inte räcker för att alla molekyler i vätskan ska kunna bryta sig loss och gå över till gasfas, kommer i alla fall några molekyler vid ytan alltid ha tillräckligt med energi för att klara detta. Vid en vätskas yta tar sig alltså molekyler hela tiden loss och lämnar vätskan. Dessa blir fler i antal om vi höjer temperaturen. Då blir den genomsnittliga rörelseenergin högre, vilket leder till att fler molekyler kommer upp i tillräckligt höga energier för att göra sig fria.

När en molekyl med hög rörelseenergi lämnar vätskan kommer genomsnittsenergin hos molekylerna som är kvar i vätskan att sjunka lite, vilket leder till att temperaturen hos en vätska minskar vid avdunstning. Har du någon gång haft handsprit (består av etanol) på händerna har du säkert känt av detta. Etanol avdunstar i stor omfattning vid rumstemperatur, vilket leder till att temperaturen sjunker.

Detta gäller även vid kokning - molekyler med hög energi lämnar vätskan, som därför får sänkt medeltemperatur. Om du mäter temperaturen i en kokande vätska kommer du märka att temperaturen håller sig strax under kokpunkten hela tiden.

Stelning - från vätskefas till fast fas

Ett annat sätt att omvandla vatten från en form till en annan är genom att sätta flytande vatten i en frys. När temperaturen sänks förlorar molekylerna sin rörelseenergi och rör sig allt långsammare. Ju långsammare de rör sig, ju bättre kommer de att hålla ihop vilket leder till att de snart har återgått till sina bestämda platser. Det som händer här är att vattnet har frusit, eller stelnat som man också kan säga, och gått över från vätskefas till fast fas.

När detta sker avges värme till omgivningen. Temperaturen som behövs för att detta ska ske är den samma som smältpunkten för ämnet. Ibland kallas denna temperatur också för fryspunkt.

Kondensation - från gasfas till vätskefas

Vi kan också omvandla vattenånga till flytande vatten genom att sänka temperaturen i ett rum eller en behållare med mycket vattenånga i (en bastu till exempel). Vi kommer då att märka att vattenångan bildar små vattendroppar på rummets väggar. Dropparna är vatten i vätskefas. Vi har alltså sett en fasövergång från gasfas till vätskefas, vilket man kallar kondensation. Detta sker eftersom den sänkta temperaturen leder till att molekylerna får mindre energi och tillslut inte "orkar" flyga omkring i rummet på egen maskin. I stället går de ihop till små droppar.

Vid kondensation avges värme till omgivningen. Temperaturen vid vilken kondensation av ett ämne sker är den samma som kokpunkten för ämnet.

Sublimering - direkt från fast fas till gasfas (eller tvärt om)

En lite ovanligare typ av fasöverång är sublimering. Det sker när ett ämne går direkt från fast fas till gasfas (ibland kallas även fasövergången åt andra hållet, det vill säga direkt från fast fas till gasfas också för sublimering). Många gånger beror detta på att ämnet inte kan vara i vätskefas vid det tryck som råder, eller på att temperaturen hastigt sjunker under smältpunkten.

Ett exempel på ett ämne som sublimerar är koldioxid, som inte kan existera i flytande fas vid normalt lufttyck. När fast koldioxid smälter blir det alltså inte blött, vilket leder till att koldioxid i fast fas ofta kallas för torris.

Vid sublimering från fast fas till gasfas tas energi upp från omgivningen, medan sublimering åt andra hållet leder till att energi avges.

Sammanfattning

Vi har nu lärt oss namnen på flera olika fasövergångar. I bilden nedan får du en sammanfattning på dessa, där det visas om energi tas upp eller avges med hjälp av en energipil (pekar den in mot fasövgergången tas energi upp, pekar den utåt avges energi).

Smält och kokpunkter

I tabellen nedan hittar du kok och smältpunkter för några vanliga ämnen. Observera att dessa bara gäller vid normalt lufttyck. Vatten kan till exempel koka vid lägre temperaturer om vi sänker trycket, vilket visas i det här videoklippet.

Ämne   Smältpunkt    Kokpunkt
Järn, Fe 1538 °C 2862 °C
Koksalt, NaCl 801 °C 1413 °C
Vatten, H2O 0 °C 100 °C
Etanol, C2H5OH −114 °C 78 °C
Ammoniak, NH3 −77,73 °C −33,34 °C
Kväve, N2 −210 °C −196 °C
Propan, C3H8 −189 °C −44 °C
Butan, C4H10 −139 °C −0,5 °C 

GRUNDÄMNEN OCH KEMISKA FÖRENINGAR

I artikeln förekommer en del formler och modeller, som det är viktigt att du kan tolka. Har du inte koll på dem - klicka dig in under Formler och modeller i menyn till vänster

Notera att ordet "grundämne" har dubbla betydelser. Förutom den som vi går igenom i den här artikeln kan det också betyda samma sak som atomslag, vilket det går att läsa mer om i slutet av artikeln om atomer.

Vilket är vilket?

All materia i universum är uppbyggd av ett hundratal olika sorters atomer (så kallade atomslag), som antigen sitter ihop med andra atomer (sådana grupper kallas molekyler) eller är helt fria. Givetvis kan dessa hundra olika typer av atomer kombineras på massvis med sätt och kemister känner i dagsläget till flera miljoner kemska ämnen.

För att hålla någon slags ordning i denna uppsjö av ämnen delar kemister in dem i två grupper.

- De som består av bara ett atomslag, vilket man kallar grundämnen, och
- De som består av flera olika atomslag, vilket man kallar kemiska föreningar.

Rent allmänt är kemiska föreningar vanligare än grundämnen här på jorden. Tänk dig själv hur det är att bygga med lego. Det går inte att bygga så speciellt mycket med bara en sorts legobitar, men med hjälp av flera olika sorter kan man nästan bygga hur många olika saker som helst. På ungefär samma sätt är det med atomer.

Exempel

Ett exempel på ett grundämne är diamant, somenbart består av kolatomer som sitter ihop på ett väldigt regelbundet sätt i stora kristaller. Detta ger diamant dess hårdhet och mycket goda värmeledningsförmåga. Eftersom diamant bara består av en slags atomer (kolatomer), måste det vara ett grundämne.

Kol kan också bygga upp ett annat grundämne, som kallas grafit. Det är ett svart ämne uppbyggt av en atom tunna kollager som är staplade på varandra, ihopsittande med svaga bindningar. Genom att skrapa en bit grafit mot en yta kan man därmed lätt få några lager att lossna, vilket gör grafit utmärkt för att använda i blyerts.

Ytterligare ett grundämne som helt och hållet byggs upp av kolatomer är träkol, vilket vi bland annat använder när vi grillar. I det sitter kolatomerna ihop på ett mer oregelbundet sätt.

Ett annat exempel på ett grundämne är ozon, som finns högt uppe i atmosfären och som skyddar mot solens skadliga UV-strålar. Det består bara av syreatomer (därför är det ett grundämne), närmare bestämt tre stycken per molekyl.

En annan form av grundämnet syre är syrgas, som är det ämne som finns i luften och som vi behöver andas in för att kunna överleva. Det består av molekyler med bara två syreatomer i varje.

Ser vi till kemiska föreningar är druvsocker (sådant som idrottsmän äter för att få snabb energi) ett bra exempel. En druvsockermolekyl består av kol, syre och väteatomer som sitter ihop i ring. Eftersom druvsocker består av mer än en sorts atomer är det en kemisk förening.

Ett annat exempel är vatten, som består av syre och väteatomer som sitter ihop i molekyler med två väteatomer och en syreatom i varje. Även koldioxid, som du säkert har hört talas som i klimatdebatten, är en kemisk förening. Det består nämligen av två atomslag; kol och syre.

KOLETS KRETSLOPP

Kol är en central del av alla levande organismer, och cirkulerar runt i naturen på flera olika sätt. Vi ska här gå igenom hur kolets kretslopp (även kallat kolcykeln) fungerar.

Kol kan finnas i en mängd olika former. Det finns i organiska molekyler som bygger upp allt liv, oorganiska föreningar som kalksten, och även luften som koldioxid.

Kol rör sig via koldioxid, levande organismer, kalksten, organiska sediment och olja.

Kol förflyttar sig mellan olika ställen i naturen. Om vi tittar på koldioxid som utgångspunkt så kan det användas av bland annat växter för att skapa organiska molekyler via fotosyntes. De organiska molekylerna kan frisättas tillbaka till koldioxid via respiration (cellandning), nedbrytning eller förbränning. Om det organiska materialet inte bryts ned när organismen dör kan det istället begravas under marken i miljontals år för att vid specifika förhållanden bilda fossila bränslen. I vatten löses koldioxid upp och kan användas till fotosyntes under vattnet. Det kan också ombildas till olika karbonater, och lagras in som kalksten.

Varför är kol intressant?

Kol som atomslag som är grunden till i princip alla molekyler vi och vår levande omgivning består av. Alla proteiner, kolhydrater, och fetter innehåller kol. Allting du äter innehåller kol i varierande mängd, och du bryter ned kolbaserade ämnen för att få energi, och andas ut koldioxid. Koldioxid har dessutom långtgående effekter på vår miljö, vilket du får läsa mer om senare.

KOLDIOXID OCH HUR DET SKAPAS

Med varje andetag vi tar andas vi ut koldioxid. Växter använder koldioxid för att genomföra fotosyntes och skapa socker. Det är också en farlig gas; om nivåerna i inandningsluften är för höga kan man dö av den. Om nivåerna är för höga i atmosfären ökar växthuseffekten och jorden värms upp.

Hur skapas koldioxid?

Koldioxid skapas via huvudsakligen två processer: Respiration, och förbränning.

Koldioxid skapas via respiration och förbränning.

Det mesta liv vi kan se med blotta ögat använder sig av respiration(cellandning) med syrgas för att skapa energi så de kan leva. Respiration kan kort sammanfattas som en långsam kontrollerad förbränning av glukos med hjälp av syrgas för att skapa koldioxid, vatten, och kemisk energi:

C6H12O6+6O2⟶6CO2+6H2O+kemiskenergiC6H12O6+6O2⟶6CO2+6H2O+kemiskenergi

glukos+syrgas⟶koldioxid+vatten+kemiskenergiglukos+syrgas⟶koldioxid+vatten+kemiskenergi

Det är den kemiska energin som de levande organismerna är ute efter. Vi själva, alla djur, och växter (ja, även växter) använder respiration som källa för kemisk energi så att de kan leva. I denna process skapas också koldioxid, vilken går till atmosfären. Det finns en del organismer som inte använder sig av respiration med syrgas, som vissa bakterier och arkéer, utan använder andra ämnen istället för syrgas, men det är inte relevant här. Det mesta makroskopiska liv (dvs sådant som kan ses med blotta ögat) producerar alltså koldioxid. När växter och djur dör så kan de också brytas ned av bakterier och andra organismer, vilket bland annat skapar koldioxid.

Förbränning är den andra stora källan till koldioxid. Förbränning innebär att kolföreningar med hjälp av syrgas brinner för att skapa koldioxid, vatten och värmeenergi:

Ett vanligt exempel på detta är en brasa, där den kemiska energin som är lagrad i kolföreningarna i veden med hjälp av syrgas omvandlas till koldioxid, vatten och värmeenergi. Andra exempel är förbränning av fossila bränslen som olja och bensin. Mer information om hur detta förändrar balansen av koldioxid i atmosfären kan ni läsa om under rubriken Kolets klimatpåverkan.

FOSSILA BRÄNSLEN

Fossila bränslen är ämnen såsom olja, gas och kol (inte grundämnet, utan stenkol, brunkol, osv) och kan bland annat användas som bränslen. De kallas för fossila eftersom de grävs eller pumpas upp från marken. Deras huvudsakliga innehåll är kol i olika former, vilket är anledningen till att det är intressant att lära sig om dem i kolcykeln.

Fossila bränslen skapas via rester från växter och djur som ligger under marken i miljontals år. Vid förbränning av dem så tillförs atmosfären koldioxid.

Hur skapas fossila bränslen?

Fossila bränslen (i vår bild representerad av olja) skapas genom att gamla växt och djurdelar (vilka innehåller kol) på land och under vatten som inte är helt nedbrutna packas in under jorden när nytt markmaterial fylls på. Med tiden hamnar dessa långt ned under jorden, och utsätts för höga temperaturer och tryck, vilket under några miljoner år omvandlar växt och djurdelarna till olja, gas eller kol (inte grundämnet, utan bränslet) . Eftersom kolet som växterna och djuren bestod av lagras in under jorden kan man säga att de har hållits utanför den vanliga kolcykeln, och hade i normala fall inte kommit tillbaka till omloppet i någon större utsträckning.

Vad händer när man förbränner fossila bränslen?

När man förbränner fossila bränslen sker en förbränningsreaktion, på liknande vis som beskrivs i artikeln om koldioxid. Om man hade huggit ned ett träd och eldat upp det så hade man tagit kol som fanns i biomassa och återfört det till atmosfären, där det till slut hade fixerats via fotosyntesen som ny biomassa, och cykeln fortsätter. Om vi däremot bränner fossila bränslen så har vi ett nettotillskott av koldioxid till atmosfären, då kolet som fanns i det fossila bränslet har varit utanför den aktiva delen av kolcykeln under miljontals år, och vi förbrukar det många gånger snabbare än det återbildas. Vad som händer med den nya koldioxid som tillförs kolcykeln går vi igenom i nästa artikel om kolets miljöpåverkan.

KOLETS MILJÖPÅVERKAN

Den största miljöpåverkan i kolcykeln sker via koldioxid. Halten koldioxid i atmosfären ökar kontinuerligt, och har gjort det sedan den industriella revolutionen. Den främsta anledningen till ökningen av koldioxid i atmosfären är att vi förbränner fossila bränslen.

Hur påverkar koldioxid miljön?

Koldioxid påverkar miljön på två huvusakliga sätt; den ökar den globala temperaturen via växthuseffekten, och den försurar våra hav.

När koldioxidnivåerna ökar i atmosfären, exempelvis via förbränning av fossila bränslen så får det som konsekvens att den globala temperaturen ökar pga växthuseffekten. Den koldioxid som löser sig i vattnet bidrar till försurning, vilket gör att växter och djur får problem att bilda kalkskal.

Koldioxid och global uppvärmning

Växthuseffekten är ett fenomen där solljus tillåts komma igenom atmosfären och träffa jorden, ombildas till värmestrålning, som när den försöker lämna jorden (enkelt förklarat) i atmosfären reflekteras tillbaka mot jorden, som då behåller mer värme. Koldioxid är en växthusgas, vilket betyder att den har egenskapen att släppa igenom solljus, men reflektera värmestrålning. Ju mer växthusgaser som finns i atmosfären, desto mer värme stängs inne och värmer upp jorden ytterligare.

Det är med andra ord som så att ju mer koldioxid som släpps ut, desto varmare blir jorden. En ökad global temperatur på bara någon enstaka grad jämfört med dagens nivåer kommer (och är på väg att) orsaka stor förödelse via höjning av havsnivåerna pga. smält polaris, stormar, brist på dricksvatten och i olika områden varierande torka och översvämningar.

Ett argument som ibland lite skämtsamt hörs är att vi i Sverige ska vara glada över global uppvärmning eftersom det är så kallt här. Om Golfströmmen (en havsström med varmt vatten) byter riktning kan temperaturen i norden sänkas betydligt. Global uppvärmning är en höjning av medeltemperaturen, vilket innebär att det i genomsnitt blir varmare, men på olika ställen kan bli varmare, kallare eller inte förändras så mycket. Global uppvärmning är något som vi inte vill uppleva om klimatet ska vara någotsånär hanterbart.

Koldioxid och försurning av hav

Den andra effekten av ökade koldioxidnivåer som inte är lika känd är att den försurar haven. Som beskrivs i artikeln om kolcykeln och vatten så orsakar ökade nivåer av koldioid en försurning av haven desto mer koldioxid som löser sig i dem. Surare hav har ett antal effekter på de växter och djur som lever i dem, men en av de största problemen är att havslevande organismer inte kan skapa skyddande kalkskal (CaCO3). Organismer som är beroende av kalkskal, såsom koraller och skaldjur kan därmed ta stor skada av havsförsurning via de höga koldioxidutsläppen.

SYRETS KRETSLOPP

Liksom kolet har syret ett kretslopp som går över flera kemiska sammansättningar. I vår modell av syrecykeln utgår vi från syrgas, och ser hur syreatomerna cirkulerar.

Syrets kretslopp behandlar syreatomers väg genom syrgas, ozon, koldioxid, levande organismer, som karbonater i vatten och deponerat i jordskorpan.

Syret som finns i atmosfären kan genomgå tre större förändringar. Det kan tillsammans med glukos, eller annat biologiskt material användas i respirationen, där organismer får energi, och skapar koldioxid och vatten som sidoprodukter. Samma process kan ske genom traditionell förbränning, med skillnaden att energin som skapas inte tas tillvara kemiskt, utan blir till värme.

Den exakt motsatta reaktionen är när koldioxid (CO2), vatten (H2O) och solenergi via fotosyntesen omvandlas till syrgas, och glukos. Glukosen kan därefter omvandlas till andra organiska föreningar, och bindas in i växter, djur, och andra organismer tills den förbränns eller bryts ned. Läs mer om detta i artikeln om syre och liv.

Koldioxid kan även lösas i vatten som karbonater av olika slag, vilka därefter kan deponeras i jordskorpan.

En annan reaktion som syre kan genomgå är en fotokemisk reaktion (en reaktion som startas och underhålls av ljus), där syrgas omvandlas till ozon (O3). Ozon skapas högt upp i atmosfären och skyddar mot farlig UV-strålning, vilket det gå att läsa mer om i våra andra artiklar. Ozon sönderfaller till syrgas både spontant, och när det tar upp skadlig UV-strålning från solljuset. Läs mer om detta i artikeln om ozon.

Den sista större sättet som syrgas tas från atmosfären är via oxidation av metaller. Ett vanligt exempel på denna typ av reaktion är järn som har lämnats utomhus. Med hjälp av syre och vatten oxideras järnet, och blir till järnoxid (rost), vilken befinner sig i/på jordskorpan beroende på tidsperiod. Oxiderat material är inte alltid permanent oxiderat, utan många mikroorganismer kan reducera tillbaka dem för att utvinna energi eller driva sin metabolism, vilket frisätter syret till atmosfären igen.

Stabilitet i syrets kretslopp

Syrets kretslopp är delvis kopplat till kolets kretslopp i och med att man vid fotosyntes och respiration förbrukar respektive skapar koldioxid. I och med ökade koldioxidnivåer pga förbränning kommer fotosyntesen att vara aningen ökad i framtiden, men det kommer inte nämnvärt att påverka halten av syre, då det syre vi har förbrukat vid förbränningen återförs via fotosyntesen.

Syrets kretslopp och miljöproblem

Ett miljöproblem som är kopplat till syrets kretslopp är bildningen av ozon. Människan har under 1960-talet till 1990-talet använt ämnen som kallas för klorfluorkarboner (CFC på engelska), vilka är mer kända som freoner, vilka bryter ned det skyddande ozonet i atmosfären. Läs mer om detta i artikeln om ozon.

Våra metaller

Vilka metaller har du använt i dag? Du vaknade i morse kanske av att mobilen eller en väckarklocka ringde. I båda finns mängder av olika metaller. Du gick upp och klädde på dig. I dina kläder finns nog knappar eller blixtlås av metaller. I ditt hus finns metaller i elkablar, byggmaterial med mera. Du åt frukost och använde kanske en kniv, gaffel eller sked av metall. Och så vidare, och så vidare ...

Det är näst intill omöjligt att tänka sig ett liv utan metaller. Men vi behöver använda metallerna på ett hållbart sätt.

Metaller och legeringar

Metaller är en stor grupp av grundämnen som leder elektricitet och värme bra. De har också den typiska metallglansen. De finns i en rad olika föreningar, bland annat i bergarter. Om en bergart eller ett mineral innehåller så mycket av en metall att det lönar sig att bryta den kallas den malm.

Metallföreningar kan ha många olika egenskaper. Men rena metaller har vissa saker gemensamma: de glänser och de leder värme och elektricitet bra. Många metaller har mycket stor betydelse för oss. Vi kan tillverka elektronik, verktyg och maskiner och bygga broar och skyskrapor av dem. Hade vi inga metaller skulle vi leva i stenåldern.

Man kan indela metallerna i grupper med olika egenskaper. Järnmetaller är järn, kobolt och nickel. Ädla metaller är guld, silver och platina och en del andra som är sällsynta och som man sällan hör talas om.

Tungmetaller är koppar, zink, kvicksilver, bly, kadmium, uran och flera andra. Många tungmetaller är giftiga. Andra viktiga metaller är aluminium, magnesium, krom, titan och tenn. En lång rad metaller är viktiga i legeringar.

Legeringar

En legering är en blandning av minst en metall och olika legeringsämnen (som oftast själva är metaller). Legeringar är lösningar i fast form. Till exempel är guldsmycken ofta gjorda av en legering mellan guld och koppar. Rent guld blir för mjukt för att användas till smycken.

Oftast är legeringar metaller som får små tillsatser, som ändrar metallernas egenskaper. Till exempel blir järn med mycket kol, krom och nickel i rostfritt stål. Koppar med tenn i blir brons.

Malm

Malm är en bergart eller ett mineral som finns i naturen och som innehåller så mycket av en eller flera metaller att det är lönsamt att bryta. Järnmalm är alltså mineral eller sten som innehåller så mycket järn att det lönar sig att med olika metoder skilja järnet från stenen och på så sätt framställa metallen järn.

Ofta bryter man malm i gruvor under jorden. Det finns även så kallade dagbrott som liknar stora grustag där man bryter malmen ovan jord. I Sverige bryter man i dag bland annat järnmalm i gruvor i Kiruna och Malmberget och kopparmalm i ett dagbrott utanför Gällivare. Man kan tro att en malmkropp alltid går rakt (lodrätt) flera kilometer ner i marken. I Kiruna är det inte så. Där kan malmkroppen liknas vid en gigantisk brödskiva som lutar snett ner under stadskärnan. När man så småningom bryter djupt nere under staden riskerar man att det uppkommer sprickor som kan innebära att byggnader rasar. För att kunna fortsätta brytningen pågår ett stort projekt med att flytta en del av staden någon kilometer till en annan plats.

Som du ser på bilden ovan innebär gruvor ofta stora ingrepp i miljön. Det är en utmaning för gruvindustrin att bryta till exempel metaller på ett hållbart sätt.

Användning av metaller

Metaller används till mängder av olika saker. Stål som tillverkas av järnmalm finns i till exempel byggnader, maskiner och verktyg. Koppar används till exempel för att leda elektricitet. Koppar tillsammans med guld kan du även hitta i din mobiltelefon. Zink kan användas som rostskydd och i mediciner. Bly finns i bilbatterier och i skyddsutrustning för hantering av radioaktiva ämnen.

I en mobil finns metallerna guld, silver, palladium, platina, aluminium och koppar. Dessutom finns flera metaller från gruppen sällsynta jordartsmetaller. Som namnet visar är dessa metaller besvärliga att framställa.

Metaller är dock en ändlig resurs och det gör återvinning viktig för att få en hållbar användning. I dag återvinns en hel del metaller. 2016 återvanns i Sverige 77,5 procent av metallförpackningarna

Sammanfattning

Våra metaller

• Metaller är en stor grupp av grundämnen som leder elektricitet och värme bra. De har också den typiska metallglansen.
  
• En legering är en blandning av minst en metall och olika legeringsämnen (som oftast själva är metaller). Stål är en viktig legering.
  
• Malm är en bergart eller ett mineral som finns i naturen och som innehåller så mycket av en eller flera metaller att det är lönsamt att bryta.
  
• För att vår användning av metaller ska vara hållbar måste framställningen - från gruva till färdig produkt - vara hållbar. Det är också bra att återanvända metallföremål och återvinna metaller.

Sammanfattning

Aluminium, järn, koppar och zink

• Aluminium (Al) är en lätt, silvervit metall. Det är den vanligaste metallen i jordskorpan och ingår i många mineral och bergarter. Aluminium framställs ur bergarten bauxit, vilket kräver mycket energi. Därför är det lönsamt att återvinna metallen.
  
• Aluminiumlegeringar används i bland annat byggnader, flygplan, båtar, bildelar och förpackningar.
  
• Järn (Fe) är ett grundämne och den vanligaste av alla metaller. Man kan hitta järnmalm (bergarter med järn i) på många ställen i jordskorpan. Jordens innersta kärna består av järn.
  
• Järn finns också i det protein som transporterar syre i blodet. Det proteinet heter hemoglobin och finns i de röda blodkropparna.
  
• En masugn är en anläggning som producerar råjärn (tackjärn) ur järnmalm (järnoxid, Fe3O4).
  
• Stål är en legering av järn (Fe) och kol (C). Stål är det allra viktigaste av våra metalliska material och används i väldigt många sammanhang, till exempel i byggnader.
  
• Koppar (Cu) är en metall som har låg smältpunkt. Den är lätt att smälta fram ur bergarter och lätt att forma genom gjutning. Därför var koppar den första metall som människan lärde sig använda till bland annat verktyg och vapen.
  
• Brons är en legering mellan koppar och (oftast) tenn (Sn). Mässing är en legering mellan koppar och zink (Zn). Båda legeringarna är gul på grund av att koppar är gult.
  
• Zink (Zn) används som skyddande ytbehandling av järn och stål genom att man doppar ner metallerna i smält zink.

Mobilen och metaller

En vanlig mobiltelefon innehåller ungefär 60 olika ämnen. Metaller som används är till exempel guld (Au), silver (Ag), koppar (Cu), kobolt (Co) och palladium (Pd).

Det är inte så stora mängder av varje metall i en mobil. Mängden guld brukar ligga på 20-25 milligram. Mängden palladium ligger på cirka 10 milligram. Men om man tänker att det säljs över en miljard mobiltelefoner i världen per år så förstår man att det blir stora mängder metall som används.

Många av metallerna i en mobiltelefon är väldigt dyra och finns bara i begränsad mängd. Eftersom många av oss behandlar våra mobiltelefoner som en slit-och-slängvara slutar de som avfall, liksom metallerna som de innehåller. Men det är ett mycket värdefullt avfall: ett ton kretskort innehåller 250 gram guld. Jämför det med att ett ton mineralmalm från en mycket produktiv guldgruva högst ger 5 gram guld.

Att återvinna guldet och andra ämnen från mobiltelefoner är alltså ett viktigt steg mot en hållbar användning av resurser.

Med asteroidbrytning menas processen att utvinna råvaror från asteroider och andra småplaneter, inklusive jordnära objekt.

De flesta av dessa himlakroppar består av sten men en del innehåller också is, H2O(s). Vissa asteroider har järnhaltiga material eller andra metaller på ytan och kan bli intressanta för gruvdrift i framtiden. En del asteroider tros vara rika på många av de sällsynta metaller som används i mobiltelefoner och andra elektroniska produkter. Det innebär i så fall att om de sällsynta metallerna tar slut på jorden så kan vi ta hjälp av objekt i rymden.

Det här är än så länge ingen verklighet. Flera företag och stater har dock forskningsprojekt igång både då det gäller själva den praktiska brytning samt om det är ekonomiskt lönsamt.

Återvinning av elektronikskrot

De senaste årtiondena har den tekniska utvecklingen varit snabb samtidigt som fler och fler människor på jorden fått det bättre ekonomiskt ställt. Det är förstås något positivt. Men just att vi blir fler och fler och att tekniken utvecklas så snabbt betyder också att vi konsumerar och helt enkelt slänger mer saker. Elektronikskrot är den typ av avfall som växer snabbast i världen.

EU har beslutat att medlemsländerna ska samla in minst 85 procent av elektronikavfall och att minst 50-75 procent ska återvinnas. Reglerna gäller i princip allt elektronikavfall.

I de flesta fall är återvinning ett mycket effektivare och billigare alternativ än nyproduktion. Vid återvinning används oftast bara en bråkdel av den energi som behövs för att utvinna sällsynta metaller som gallium.

Skrot

Skrot är rester av vissa material, främst metaller, men även sådant som gummi och plast. När en bil eller någon annan produkt har använts färdigt blir den skrot. Dessutom blir det en del skrot när man tillverkar bilen, till exempel spill när man svarvar och borrar.

Mycket av skrotet kan återvinnas. Det skrot som inte kan vare sig återvinnas eller förstöras går till deponering, det vill säga det förvaras på en avfallsanläggning.

En hel del miljöfarligt avfall, som elektronikskrot, skickas från rika länder till fattiga länder eftersom det är billigare än att ta hand om skrotet i det egna landet. Det ställer dock till det i en del fattiga länder eftersom elektronikskrotet bara dumpas på öppna soptippar där farliga ämnen lätt kan ta sig ut i miljön. Många människor riskerar även sina liv genom att leta efter material som går att återvinna på soptipparna. 

Sammanfattning

Metaller i mobiler och elektronikskrot

• En vanlig mobiltelefon innehåller ungefär 60 olika ämnen. Metaller som används är till exempel guld (Au), silver (Ag), koppar (Cu), kobolt (Co) och palladium (Pd).
  
• Sällsynta ämnen finns i de flesta andra elektronikprodukter. Exempel är gallium (Ga) som används i LED-lampor, mikrochips och tunnfilms-solceller.
  
• Elektronikskrot är den typ av avfall som växer snabbast i världen.
  
• Mycket av skrotet kan återvinnas. Det skrot som inte kan vare sig återvinnas eller förstöras går till deponering, det vill säga det förvaras på en avfallsanläggning.
  
• En hel del miljöfarligt avfall, som elektronikskrot, skickas från rika länder till fattiga länder eftersom det är billigare än att ta hand om skrotet i det egna landet. Det ställer dock till det i en del fattiga länder eftersom elektronikskrotet bara dumpas på öppna soptippar där farliga ämnen lätt kan ta sig ut i miljön.

Jordens naturresurser

Vi använder stora mängder naturresurser. En del resurser är ändliga, vilket innebär att de bara finns i begränsad mängd. När de tar slut så är de slut. Resurser som kol, olja, mineraler och metaller av olika slag är ändliga resurser.

Vi använder även förnybara naturresurser. Förnybara resurser är allt som lever och växer - som förnyas - på land och i hav. Så länge människan har funnits har de förnybara naturresurserna gett oss mat, kläder, ved, byggmaterial med mera. Problemet är att vi människor blir fler och fler och vi behöver mer och mer naturresurser.

Vår konsumtion och användandet av resurser är inte hållbar. Världsnaturfonden WWF gör varje år beräkningar över människans resursförbrukning. Med hjälp av ekologiska fotavtryck kan man beskriva mänsklighetens användning av naturresurser. Det ekologiska fotavtrycket visar hur stor landyta och havsyta som krävs för att framställa mat, bostäder, energi och transporter och ta hand om avfall och utsläpp.

I dag motsvarar summan av alla människors ekologiska fotavtryck ett och ett halvt jordklot. Det är en fördubbling sedan 1966. Skulle hela jordens befolkning leva som vi gör i Sverige skulle det behövas tre jordklot!

Flera länder i världen har de senaste åren haft en kraftig ekonomisk utveckling. När stora delar av befolkningen i folkrika länder som Kina, Indien och Brasilien får det ekonomiskt bättre vill de ha det lika bra som människor i den rika delen av världen. De vill ha TV och bil, bo bra och äta gott.

Det finns inga hållbara argument för att inte alla ska få njuta av samma höga levnadsstandard som vi har i till exempel Sverige. Med tanke på att jordens resurser redan konsumeras i för hög takt riskerar problemen med bland annat miljöförstöring att öka dramatiskt.

Ökat miljömedvetande

Jordens resurser tillhör oss alla. Vi kan inte bara förbruka allt mer resurser och samtidigt kasta resterna som sopor. Vi måste lära oss att se soporna som en resurs. Framför allt har vi i den rika delen av världen levt som om det funnits oändligt med råvaror och som om naturen kan ta emot hur mycket avfall som helst. Vi bör se över vår livsstil som har lett till denna enorma konsumtionsexplosion.

När det börjar bli ont om vissa råvaror leder det till att vi börjar se oss om efter andra alternativ. Intresset är i dag stort för hur vi kan återanvända produkter och minska råvaruförbrukningen.

Inom till exempel bilindustrin produceras allt energisnålare bilar. Dessutom kan bildelar återanvändas eller återvinnas när det är dags för skrotning.

Hållbar utveckling är ett begrepp som fler och fler länder vill sikta mot. Vi måste snabbt bli bättre på att hitta sätt att leva hållbart.

Vad är hållbar utveckling?

Hållbar utveckling innebär att ett samhälle fungerar på ett sådant sätt att tillgångarna räcker för människor även i framtiden. Det betyder dels att man inte utnyttjar naturen mer än den tål, dels att man fördelar tillgångarna rättvist.

Man talar om att hållbarhet består av tre delar som hänger samman:

1. Ekologisk hållbarhet - hur ska jordens ekosystem kunna fungera på lång sikt så att till exempel produktion av mat och energi, tillgång till rent vatten och ett stabilt klimat säkerställs?
   
2. Social hållbarhet - hur ska ett långsiktigt stabilt samhälle som uppfyller grundläggande mänskliga behov och rättigheter kunna byggas?
   
3. Ekonomisk hållbarhet - hur ska fattigdom kunna motverkas så att alla har råd att tillgodose sina grundläggande behov. Hur ska mänskliga och materiella resurser kunna hushållas med på lång sikt?

Vad som ingår i dessa tre områden - ekologisk, ekonomisk och social hållbarhet - är inte bestämt och många tolkningar och synsätt förekommer mellan olika länder, forskare och institutioner.