Visst fryser vatten vid 0°C?

Alla vet att vatten fryser vid 0°C. Men gör det alltid det?

Kemikalier:
Natriumklorid (koksalt)
Is (fruset vatten, gärna som kuber)

Man behöver också en termometer som tål vatten (en frystermometer fungerar utmärkt).

Gör så här
1. Blanda iskuberna med kallt kranvatten och stick ned termometern. Notera att temperaturen stabiliserar sig i närheten av 0°C om termometern inte har direktkontakt med isen.

2. Tillsätt en stor mängd koksalt. Notera att temperaturen störtdyker till långt under "fryspunkten".

Förklaring
1. När is (cirka -18°C) tillförs vatten inleds en smältprocess. Vid smältning av rent vatten (d.v.s. is) kommer temperaturen per definition att vara 0°C (273 K).

2. När vattnet tillförs ett lösligt ämne som t.ex. ett lösligt salt sänks fryspunkten. Detta eftersom det är termodynamiskt fördelaktigt att saltet är löst. Skulle vattnet frysa skulle saltet behöva utestängas från de växande iskristallerna, vilket är termodynamiskt ofördelaktigt eftersom rörligheten och oordningen (den s.k. entropin) för saltets joner då skulle minska. Resultatet blir istället att fryspunkten sänks; iskuberna måste smälta för att kunna lösa saltet (koksalt är ju lättlösligt). Att smälta iskuberna kostar energi vilket märks genom att temperaturen sjunker. Dessutom åtgår lite energi för att lösa saltet (se inlägget från den 25:e juli).

Skulle man upprepa försöket med ett salt med exoterm upplösningsreaktion blir det två effekter som motverkar varandra. Därför är natriumklorid ett mycket bättre val än natriumkarbonat...

Användningsområden

• Glassförsäljare använde salt, is och vatten innan frysboxarna blev allmänna.
• Glykol i kylarvätskan till bilar gör att bilarna fungerar också på vintern.
• Trafikverket saltar vägar för att minska antalet dagar med vinterväglag (metoden fungerar dock inte vid riktigt kalla dagar)
• Inom laboratorieverksamhet kan man bestämma molmassan (i gram/mol) för ett ämne eftersom fryspunktssänkningen är proportionell mot antalet mol/L man löst. Genom att veta hur mycket man vägt in kan molmassan enkelt beräknas.
  

Hur var volymen?

1+1 är 2; det är ju en självklarhet. Men hur är det med volymer? Kan man ta 1.0 dL av ett ämne och blanda det med 1.0 dL av ett annat ämne, och sedan få 2.0 dL blandning?

Svaret på denna fråga är, som vi ska se, i allmänhet nej. Volymer är additativa endast om ämnena som blandas är lika (strikt sett krävs vanligen också att deras temperatur är densamma).

När det gäller etanolen är skyddsglasögon lämpliga eftersom stänk är skadliga för ögat.

Nedan används genomgående beteckningen ”enhet”. Det kan vara t.ex. 1.0 dL, 1.0 L eller något annat passande. Det viktiga är att man alltid tar precis lika mycket.

Exempel 1

Blanda 1.0 enheter vatten med 1.0 enheter vatten. Resultatet blir inte förvånande 2.0 enheter vatten. Volymerna är förstås additativa.

Exempel 2

Blanda 1.0 enhet etanol med 1.0 enhet vatten. Resultatet blir något mindre än 2.0 enheter. Volymerna är inte additativa.

Exempel 3

Blanda 1.0 enheter sackros (även kallat rörsocker) med 1.0 enheter vatten. Resultatet blir – när sockret väl löst sig – cirka 1.6 enheter. Volymen minskade med 20%!

(de gröna sträcken på litermåttet anger 1.0 resp 2.0 enheter (här 1 enhet=1 deciliter)

Förklaring

När olika ämnen blandas ändras ordningen på vattenmolekylerna. I rent, flytande vatten kan man tänka sig att vattnet är fördelat på mycket små isberg som rör sig runt omkring relativt fritt. När man blandar vatten med etanol ändras förutsättningarna jämfört med hos rent vatten+hos ren etanol (T-röd är i och för sig denaturerad och färgad men tillsatsernas koncentrationer är väldigt låga i sammanhanget). Blandningen mellan vatten och etanol är alltså inte bara en ”blandning” utan en helt ny lösning med nya egenskaper (såsom ny densitet). Räknar man på det (med värden från CRC Handbook of Chemistry and Physics) får man veta att den teoretiska volymen för blandningen blir 1.9304.... enheter (gäller vid 20 °C).

I de flesta fasta ämnen sitter molekylerna/jonerna/atomerna ordnade i ganska fasta s.k. kristallstrukturer. När man löser ett ämne (om det är lösbart alls vill säga – se inlägget från den 25/7) kommer kristallstrukturen att brytas när vattnet lägger sig runt molekylerna/jonerna. Man säger att vattnet solvatiserar molekylerna/jonerna. Packningen blir nu betydligt effektivare med molekyler/joner och vatten ordnade om vartannat istället för var för sig.

Lösligheten för sackaros är dessutom avsevärt högre än för många salter (2 kg/L enl. Wikipedia). Anledningen är att sackaros är en molekyl som liknar vatten på molekylär nivå; det finns nämligen väldigt många hydroxylgrupper (-OH) på sackarosmolekylen vilket gör att vatten kan binda in synnerligen smidigt. Därför är lösligheten så stor.

Volymer är alltså inte additativa när ämnena är olika. Massor, däremot, är alltid additativa (i kemins värld, i modern kärn- och partikelfysik stämmer detta dock inte p.g.a. ekvivalensen mellan massor och energi E=mc²). Som kemist kan man emellertid alltid vara säker på att massor är additativa; detta gäller både vid blandningar och vid kemiska reaktioner. Det beror på att de energimängder som är involverade är så pass små jämfört med vid kärnreaktioner.

Cytokininer

Hormoner är något som inte bara förekommer hos oss djur. Tvärtom finns det hormoner även hos växter. Dessa kallas då växthormoner. De transporteras ibland inom växten för att ge effekt någon annanstans, men de kan också produceras och verka lokalt.

I detta experiment ska vi se hur kokosnötsmjölkspulver kan senarelägga vissning hos en blomväxt, nämligen baldersbrå (Tripleurospermum perforatum). Anledningen till detta är att kokosnötsmölk (från fukten av kokospalmen Cocus nucifera) innehåller ett ämne som liknar växthormonet cytokinin (egentligen en grupp av liknande ämnen). Cytokininer kan senarelägga vissning och därför följer det ibland med syntetiska cytokininer när man köper ”snittblommor”.

Först måste man dock späda ut pulvret till lämpliga koncentrationer. Har man mycket höga halter vissnar växten lätt fort ty xylemet, som transporterar vattnet i växten, blockeras rent fysiskt av pulvret). Gör så här för att späda pulvret:

1. Väg in 10 g pulver och späd i ett litermått till 1.0 L. Rör om ordentligt! Halten är nu 10 g/L.
2. Tag 0.10 L (=1.0 dL) av ovanstående lösning och späd denna till 1.0 L. Rör om. Halten blir förstås 1.0 g/L.
3. Upprepa ovanstående och få 0.10 g/L som ju är samma sak som 100 mg/L och, om vi räknar med att lösningen har samma densitet som vatten (1.0 kg/L), så kan vi också säga att halten är 100 mg/kg vilket också skrivs som 100 ppm. Häll upp 1 dL av lösningen i ett glas och skriv på halten 100 ppm.
4. Upprepa spädningsproceduren och få halterna 10 ppm, 1 ppm och 0.1 ppm. Rör om i varje steg. Häll upp en deciliter av varje koncentration i ett eget glas och använd en annan deciliter för att späda vidare. Kom ihåg att märka varje glas eller burk med rätt halt.



Tag sedan så lika skott som möjligt av valfri blomväxt (angiosperm) och placera två skott i varje glas så som på bilden nedan.

Sedan är det bara att vänta och se vilka som vissnar först.

Jag kunde se att de skott som stod i 10-100 ppm kokosnötsmjölkspulver höll sig något längre innan strålblommorna (de yttre, vita blommorna i varje blomkorg) vissnade. Även bladen höll sig betydligt bättre med den högsta koncentrationen. Alltså verkar det finnas en effekt!




Bakgrund
Växthormoner är en hel klass med ämnen. Man brukar tala om de fem stora:

Auxiner är en en grupp tillväxthormoner som bland annat produceras i toppen (apex) och transporteras mot basen för att förhindra sidoskott från att bli huvuskott. Man säger att auxiner är ansvariga för den apikala dominansen. Auxiner är också viktiga för hur skottet riktar sig mot ljuset (fototropism) och hur växten växer rakt uppåt (gravitropism).

Cytokininer sägs spela en liknande roll när det gäller rotens apikala dominans. Mest kända är emellertid cytokiner för hur de kan senarelägga vissning. Penslar man på cytokininer på knoppar på skottet kan dessa utvecklas och på så sätt bryta den apikala dominansen. Man brukar säga att cytokiner och auxiner är antagonister.

Gibberelliner är också en klass av tillväxthormoner, som bland annat är viktiga då ett frö ska gro (genom att bryta vilstadiet).

Eten, som är en enkel gas (C2H4), är inte ett tillväxthormon utan tvärtom - gasen påskyndar istället mognad och vissning. Den produceras exempelvis lokalt då frukter ska mogna men medverkar också för att ändra växtsättet när ett frö gror ifall det stöter på exempelvis en sten: I så fall ser eten till att skottet blir tjockare och kanske kan ro på hindret. Etens förmåga att få frukt att mogna utnyttjas kommersiellt genom att behandla frukt så att den mognar lagom till utplacering i handeln.

Abscissinsyra är ett exempel på ett hormon som transporteras innan det verkar. Vid torka produceras det i rötterna, transporteras i xylemet till bladen där responsen är att klyvöppningarna stängs så att växten sparar på vatten. Abscissinsyra spelar också en roll för att förhindra att frön gror när det är olämpligt.

Faktum är att det nog finns mer likheter mellan växter och djur än vad många tror. För det första delar växter och djur på många sätt samma biokemiska processer (och uppbyggnad) på cellnivå. För det andra används inom vetenskapen ofta samma ord för djur som för växter: ägg, spermier, befruktning, embryo, ovarium, hormoner, cell, vävnad, organ (hos växter t.ex. blad). Man kan till och med prata om växters beteende vilket för en växt vanligen innebär hur växten växer (djur kan röra sig, växter växer istället eller utnyttjar insekter och andra djur som transportörer). Det förekommer också att man pratar på engelska om plant intelligence, även om det är kontroversiellt.

Lite om gaser

Kolsyrat vatten

”Kolsyrat” vatten är i själva verket vatten som man blåst ned gasen koldioxid, CO2, i. Gasen har en förmåga att lösa sig i vatten. En mycket liten andel av gasen () binder till sig vattenmolekyler, H2O, och bilder därför kolsyra H2CO3 som är en svag syra (se inlägget från 11/7) och därför ger syrlig smak.

Denna process – att lösa koldioxid – i vatten är faktiskt en av de ytterst få användningsområden för koldioxid som finns. Den är dock inte helt riskfri; i storkök kan man hitta larm för koldioxidläckage. Koldioxid är ofarlig i sig men förrädisk så tillvida att den kan tränga undan livsviktigt syre.Två andra användningsområden för koldioxid är för övrigt brandsläckning (just genom att tränga undan syre) och ökad fotosyntes i växthus (man höjer CO2-halten för att öka reduktionen av koldioxid till socker i växterna).

Vatten som utsätts för luft blir naturligt svagt surt (ca pH 5) eftersom koldioxid ur luften löser sig i vattnet.

Andra gaser ger också surt vatten

Löser man svaveldioxid i vatten bildas, i bergänsad utsträckning, svavelsyrlighet, H2SO3, som är en svag syra. Löser man istället svaveltrioxid, SO3, bildas den starka syran svavelsyra, H2SO4, (riktigt koncentrerad svavelsyra kan anges ha halter på 160% eftersom den kan tillföras stora mängder SO3 som hydreras till svavelsyra om man tillför vatten). Kväveoxid, NO, och kvävedioxid, NO2, ger efter reaktion med vatten salpetersyrlighet (svag syra) respektive salpetersyra (stark syra). Dessa reaktioner är idag de som är mest ansvariga för surt regn (detta eftersom vi lyckas rena bort svaveloxiderna alternativt använder lågsvavliga bränslen). Kväveoxiderna är svårare att bli av med bl.a. beroende på att de alltid bildas då syre och kväve hettas upp tillsammans (vilket sker i alla förbränningsprocesser).

Varmt vatten löser gaser sämre än kallt

Det är stor skillnad på varmt och kallt vatten när det gäller att lösa ämnen. Fasta ämnen som salter löser sig vanligen lättare i varmare vatten, medan det omvända gäller för gaser. Därför blir det lätt ett rejält övertryck i "kolsyrade" läsker när dessa utsätts för värme varma sommardagar. Övertrycket - om det alls finns - är mycket lägre om en läsk öppnas kylskåpskall - som bekant.

Nukleationspunkter

När man strör koksalt i nästan kokande vatten börjar vattnet att koka, trots att vattnets kokpunkt ju höjs av salttillsats (eller tillsats av andra lösliga ämnen). Varför? Anledningen är att när vattnet värms upp höjs vattnets ångtryck (mer vatten vill avgå som ånga) samtidigt som luftens löslighet minskar ordentligt. Men omvandligen till gasbubblor sker mycket lättare då några korn av salt (eller någon annan "förorening" kommer i). Inom syntetisk kemi kan man använda "kokstenar" av marmor för att ge en förångning utan stötkokning. Fasövergångar åt andra hållet - från vattenånga till vattendroppar - sker också betydligt lättare med nukleationskärnor; man brukar till och med säga att det krävs fasta partiklar i luften för att moln ska bildas.