Kemifrågor

Nedanstående frågor kommer från allmänheten samt elever i årskurs 6 (i samband med skolaktiviteten "Levande frågelådan"). Vilken fråga skulle du vilja ha svar på? Till frågeformuläret

Vilken typ av batteri behöver man för att utveckla en pacemaker med en uppladdningsbar batteri för att slippa operera den efter flera år? Och hur skulle det fungera?

2019-12-05

Det finns flera typer av uppladdningsbara batterier, både mer traditionella varianter och moderna litiumjonbatterier, som skulle passa bra i en pacemaker. Problemet är bara hur själva uppladdningen av batteriet ska ske. Om man ska göra på det vanliga sättet, dvs. via två sladdar, måste dessa sticka ut genom huden någonstans, och förutom att det är opraktiskt finns det risk för infektioner osv. Detta är alltså inget bra alternativ. Alternativet är istället att använda sk. induktionsladdning, dvs. trådlös överföring av elektricitet från laddaren till batteriet via elektromagnetiska fält. Detta fenomen är i sig inget nytt men få vardagliga exempel finns i praktiken, förutom laddning av eltandborstar (tittar man på eltandborsten och laddaren ser man att de inte är i elektrisk kontakt via metalldelar, det är för stor risk att vatten i badrummet ska orsaka problem här).

Man har på senare år börjat experimentera med induktionsladdning både inom medicinska applikationer, som pacemakers, och för laddning av elbilar. För de senaste modellerna av mobiltelefoner är detta redan realiserat. Det som behövs då är att laddaren via en kopparspole omvandlar elektrisk ström till ett elektromagnetiskt fält, samt att batterienheten också är utrustat med en mottagande kopparspole som interagerar med det elektromagnetiska fältet vilket i sin tur resulterar i en elektrisk ström som laddar upp batteriet. Om detta ska fungera i en pacemaker så måste mottagardelen sitta nära huden för att det ska fungera på ett bra sätt. Här måste man också överväga säkerhetsrisken, dvs. om mottagaren riskerar att påverkas av andra elektromagnetiska fält i omgivningen, eller att någon till och med medvetet försöker påverka pacemakern.

Frågan besvarad av Fredrik Björefors, universitetslektor i strukturkemi

Kan man skapa konstgjort bensin ?

Zaki Ghulamnabi, 16 år
2018-12-24

Med reservation för exakt vad man menar med "konstgjord" och "bensin", så är det korta svaret ja (råvarorna är ju oftast odlade, och det finns flera bränsle än bensin). Det har man faktiskt gjort sedan ett tag och det har man gjort sedan rätt länge (en hel del innovation uppkom i samband med andra världskriget samt oljekrisen på 60-/70-talen). Fischer-Tropsch-processen är en klassiker, fast i början var det ändå kol som användes som råvara. Gengas är ett annat exempel som använder förgasningsprocesser för att omvandla trä och kol till bränsle i gasfas. Tillverkning av etanol har en lång historia också, särskilt i t.ex. Brasilien där socker från sockerrör har använts för att tillverka etanol. Sånt brukar vi nu kalla för bioetanol, och sedan har man ju även biodiesel. Sedan finns det nu även mer avancerade tekniker under utveckling, bl. a. här hos oss på Kemi - Ångström, vad gäller syntetiska katalysatorer som möjliggör vätgasproduktion från vatten, samt mikroorganismer som genmodifieras för att tillverka vätgas eller andra kolbaserade bränsle. Även andra strategier beforskas.

Felix Ho
Universitetslektor och forskare vid institutionen för kemi - Ångström

Kan vatten sprängas?

Fråga: Hej, jag satt på NO-lektionen och jobbade om densitet. Så frågar en i klassen ”vad händer om man tar en press som går perfekt ner i en hink med vatten?” Då säger min lärare ” det kommer att sprängas tillslut eller att pressen stoppar” Stämmer det? Och om det stämmer är vattnet hårt då om man skulle peta på det? eftersom att pressen stannar.
Lukas Hoflin, 13 år

Svar: Hej Lukas!

Vilka bra frågor du ställt! Jag ber om ursäkt i förväg att svaret blir lite långt, men jag försöker förklara grundligt och hoppas att du får lite bättre bild på varför det blir så!

Ja, vad din lärare sa stämmer. En viss mängd vätska är i princip inkompressibel, dvs den har den volym den har vid en viss temperatur, och det går inte göra dess volymn mindre genom att försöka sätta tryck på den. Anledningen är att, molekylerna i en vätska redan är så nära varandra som de kan vara och det går inte att trycka ihop dem något mer. Detta är till skillnad från gaser (t.ex. vattenånga), där det är mycket, mycket mer plats mellan molekylerna. Då kan man genom en externkraft trycka ihop molekylerna (komprimera) så att de kommer närmare varandra så att de tar mindre plats (det kanske kan vara interessant att veta om du tar en viss mängd vattenånga och komprimera dem mer och mer, så kommer den till slut att bli till flytande vatten!).

Så när du trycker pressen ner i hinken så kan du inte trycka ihop vattnet mera så att det tar mindre plats. Om du fortsätter trycka, så står vattnet emot ändå och det blir stopp på pressen. Vattenmolekylerna trycker tillbaka mot pressen helt enkelt (om du har hört talas om Newtons trejde lag, är detta för att vattnet utöver en motkraft mot pressen). Om pressen inte är tillräckligt stark så går den sönder. Vattnet kommer att ändå ha sammanlagt samma volym (men kanske du sprutar ut också när pressen går sönder så hamnar det lite överallt!)

Väldigt intressant fråga om vattnet blir "hårt" när pressen stannar. Vardagligen säger vi att ett föremål är "hårt" när vi inte inte kan få t.ex. vårt finger in i föremålet, eftersom fingret kan inte få molekylerna att flyttar på sig, ur vägen så att säga, så att ditt finger går in i föremålet. Is är hård eftersom vattenmolekyler vid låga temperaturer håller ihop sig med varandra så starkt att du inte kan tränga in ditt finger mellan dem - de flyttar inte ur vägen. Molekyler i flytande vatten kan däremot i vanliga fall göra det t.ex. när du stoppar ditt finger in i ett glas vatten. De flyttar ju på sig, men vattennivå ökar också då  (vattnets volym är ändå samma, det är bara så att ditt finger nu också tar plats i glaset).

Det är svårt att tänka sig hur man kan peta på vattnet när pressen har gått så långt den kan, eftersom du måste göra ett hål i pressen för att göra det (vattnet skulle bara läcka ur hållet då eftersom du fortsätter trycka på pressen, så sprutar vattnet ut helt enkelt). Men rent hypotetiskt om du momentant kan ersätta en liten bit av pressen med ditt finger så att fingret passar perfekt och inget vatten läcker ut, så skulle du inte kunna trycka in ditt finger eftersom vattnet har ingenstans att ta vägen för att släpp in ditt finger. Ditt finger har blivit en del av pressen helt enkelt och det blir ju stopp som sagt. På så sätt skulle kan man väl säga vattnet blir "hårt".

Hoppas att detta svarar din fråga!

Felix Ho

Har hört att 4 grader Celsius är tyngst och ofta ligger på sjöbotten. Om det även finns lager med 3 och 5 plusgrader, var ligger dessa skikt och i vilken ordning?
Claes Jansson, 59

Vad gäller rent vatten vid 3oC och 5oC så har 3oC vatten högre densitet, men bara lite, lite grann högre (0,9999672 g cm-3 vs. 0,9999668 g cm-3). Så OM man antar att det redan finns två, väldefinierade skikt vid dessa temperaturer och endast tittar på densitet för att bestämma vilket som skulle hamna längst ner skulle skiktet vid 3oC hamna under det är under 5oC.

MEN dessa siffror gäller rent vatten, dvs. utan upplösta salter och gaser. Särskilt saltkoncentrationer har en betydande påverkan på vattens egenskaper inkl. densitet men förmodligen även densitetens beroende på temperatur. Dessutom från vad jag förstår av nedkylning av vattnet i sjöar t.ex. på väg mot vinter så finns det flera blandningsprocesser, värmeväxling m.m. som pågår, så att man egentligen inte får sådana distinkta skikt, utan vattnets temperatur sjunker stadigt mot 4oC när man går ner till sjöbotten, och det blir inte kallare än så (dvs. inget skikt vid 3 oC - förmodligen för att ytvatten som kylts ner sjunker och blandar med varmare vatten på vägen ner. Till slut kan man som lägst nå den temperatur av vattnet med högst densitet, dvs. 4 oC). Så i verkligheten så tror jag inte att det bildas något 3oC skikt som hamnar över ett skikt vid 4oC men under ett skikt vid 5 oC.

För att få mer information om detta skulle jag hänvisa till någon forskare på Avd. för limnologi  på EBC.

Varför är vatten blött?

Vatten är flytande om det inte har frysit till is. Bindningar mellan vattnets byggstenar (vattenmolekyler) är svaga och när vi rör oss genom vattnet bryts bindningarna tillfälligt så att vi kan röra oss i vattnet. Men dessa bindningar bildas strax därpå igen. Vår kropp består till stor del av vattan, även huden. När du badar så kommer vattenmolekylerna i vattnet att vilja binda sig till de vattenmolekyler som finns i din hud. Det är då som vi upplever det hela som att vattnet är blött.

Varför blir kakan hård när den kommer in i ugnen?

När man bakar är de viktigaste ingredienserna mjöl och vatten. Mjöl består av stärkelse som är ett kolhydrat, uppbyggt av mycket stora sockermolekyler, och proteinet gluten (det man kan vara allergisk mot). Proteiner är också stora molekyler. Gluten finns i olika mängd i olika sorters mjöl, mest i vete och minst i havre. När mjöl blandas med vatten kommer både stärkelse och gluten att suga upp vatten och svälla, man har fått deg där gluten är böjliga ”armeringsjärn” och stärkelse är ”lös cement” (klister).
När man värmer proteiner förstörs de och blir hårda, tänk på när man kokar eller steker ägg! Glutentrådarna i degen förstörs också när det blir varmt, de blir hårda. Dessutom torkar stärkelsen. I ugnen (eller på spisen) kommer degens glutenmolekyler att förstöras (de slutar att vara böjliga), stärkelseklistret ”härdar” och vatten avdunstar – degen blir till bröd. På ytan är det mycket varmare än inuti, där sker dessutom reaktioner som ger hårda brunfärgade produkter. 
När glutenmolekylerna blivit hårda kan de inte igen suga upp vatten och fungera som ”degarmeringsjärn”, så även fast man kan göra ”deg” både från mjöl och från bröd så kan man inte göra mjöl från bröd, och bara göra bröd en gång av samma mjöl.

Vad är det med bensin som gör att bilen fungerar?

Bensin är blandningar av olika små molekyler. Molekylerna tillhör samma storfamilj med tre grupper: familjen kolväten (innehåller bara grundämnena kol och väte), familjen alkoholer (innehåller dessutom syre) och familjen etrar (innehåller också syre men bundet på ett annat sätt än hos alkoholerna). Alla innehåller kemiskt bunden energi, och alla molekyler i en bensinblandning är mer eller mindre flyktiga.

Flyktigheten, att de lätt förångas, är en mycket viktig egenskap. Bensinen är ju en vätska när den hälls i tanken, men för att fungera i motorn måste molekylerna blandas med luftens syre till en lättantändlig, explosiv gasblandning. Det är vad som sker i motorns cylindrar. In kommer en blandning av luftmolekyler (syre och kväve) och de olika bensinmolekylerna (alla molekyler är vita på bilden). En kolv trycker samman gasblandningen, en gnista från tändstiftet tänder och blandningen brinner upp till koldioxid och vatten i en liten explosion som trycker ut kolven ur cylindern som i sin tur överför energin till resten av motorn. Totalt sett bildas fler molekyler vatten och koldioxid än antalet molekyler syre och ”bensin” som brunnit upp. 

Eftersom flyktigheten är en så viktig egenskap hos bensin så används olika recept vid olika årstider och för olika typer av bensin. Små molekyler förångas lättare, vid lägre temperatur, än större. Därför finns en högre andel små molekyler i bensinblandningarna på vintern än på sommaren.

Hur ofta uppdateras periodiska systemet?

Periodiska systemet uppdateras när nya grundämnen upptäcks. Vi anser idag att alla naturligt förekommande grundämnen är upptäckta. I stora dyra experimentanläggningar kan man dock tillverka tunga, kortlivade atomer ur lättare, därför fylls nu periodiska systemets ofullständiga 7:e rad på, inte i nummerordning och med flera års mellanrum.

Kan man trolla på riktigt (eller är det bara fejk)? Kommer det att finnas magi i framtiden?

Ingen kan trolla ”på riktigt”; ingenting kan bildas ur intet eller försvinna i intet. Däremot har de som kallar sig magiker eller trollkarlar övat sig att utföra trick så att en åskådare upplever tricken som ”riktigt” trolleri eller magi, men det är alltså ”bara” fejk. 

När man inte förstår det man (tycker sig) se eller på annat sätt upplever är det nära till hands att förklara det med att något magiskt inträffat. Mycket av det som ansågs som magi förr kan vi idag förklara eftersom vi nu har bättre kunskaper om hur vi och övriga naturen fungerar. Fortfarande finns ”magiska” fenomen som vi inte kan förklara, men jag är övertygad om att vi i framtiden kommer att kunna förstå även dessa.

Är det atomerna som spelar någon roll om ett material är starkt och på vilket sätt? 

Ja, det är atomerna, och speciellt deras bindningar till varandra, som är helt avgörande. Låt oss titta på ett exempel; diamant. Detta material är det starkast kända i naturen. Den minsta byggstenen i ett material är atomen (som en stenkula), och i diamant kallas dessa atomer för kolatomer. Nu binder sig dessa atomer till varandra med bindningar, för annars skulle ju materialet falla sönder och alla atomer "rulla iväg" år olika håll. I diamant så är dessa bindningar mycket starka och stela (kan liknas vid en glasstav). I andra mjukare material så kan dessa bindningar liknas vid tuggummiliknande pinnar. Om man nu försöker att bryta av en diamantbit så innebär det att man böjer bindningarna väldigt kraftigt, och eftersom de är starka så är det mycket svårt att göra detta. Till slut kan hela diamantbiten splittras upp eftersom bindningen är som en glasstång; starka men splittras lätt. I verkligheten kan man inte bryta av en diamantbit, bindningarna är för starka. Om man tittar på ett mycket mjukt material med tuggummiliknande bindningar så förstår man vad som händer om man förösker böja eller bryta detta material. Ta ett suddigummi som exempel. Eftersom bindningarna är så elastiska så böjer sig bindningarna lätt.

Vilket är det tunnaste materialet som finns?

I dag kan man inom materialvetenskapen tillverka extremt tunna material. Återigen kan jag nämna diamant. Andra exempel är kiselkarbid, bornitrid etc. Alla dessa material är mycket viktiga när man vill tillverka elektronikdelar för datorer, tv-apparater mm. När man tillverkar dessa material så växer man dem på ett annat material. De mest tunna materialen har en tjocklek på ungefär 1 nanometer, vilket jag nu skall försöka beskriva. Tänk dig att hela Sveriges längd (från norr till söder) är 1 meter. Då är en nanometer ca 2 mm.

Hur kan det bli en diamant av kol? Om diamant är det hårdaste ämnet, varför kan man då slipa en diamant?

Grundämnet kol förekommer i olika former, diamant är en av dem och grafit en annan. Diamant kan bildas från grafit vid hög temperatur och höga tryck (t.ex. djupt ned i berggrunden), och diamant övergår (mycket långsamt!) till grafit.

Stora kristaller av diamant och andra hårda ämnen kan slipas med små diamantkorn eller med små korn av andra, hårda ämnen. De små kornen sitter tätt på slipverktyget, de bildar tillsammans en stor skrovlig yta som kan slipa bort ojämnheter från den stora kristallens jämförelsevis släta yta.

Varför slösar man diamanter på knivar istället för ringar och halsband?

Det går inte att tillverka så stora diamanter som användes för ringar och halsband. Några tillverkare har på senare tid i och för sig lyckats med mindre smycken. Men de diamanterna har inte samma färg och lyster (briljans) som riktiga diamanter. De ser bara ut som glasbitar. Dessutom så blir det nästan lika dyrt att tillverka dessa små juveler som att gå till juveleraren och köpa dem. 

Varför använder man diamantbeklädda knivar? 

Jo, diamant är det hårdast kända naturliga materialet. Och man får alltså knivar som man kan skära hårda och sega material med, och som håller längre. När man belägger diamant på knivar så gör man det på ett fiffigt sätt ifrån en gas-blandning. Och då får man massor av extremt små diamanter (som kallas polykristallin diamant) som sitter ihop och som bildar ett mycket tunnt skikt på en kniv-yta.

Vad är diamant från början för något?
Den minsta beståndsdelen i diamant är kol-atomen. Dessa atomer binder vara och en till 4 andra kolatomer så att man får ett stort nätverk uppbyggt av kolatomer. Alltså måste man ha ett kol-rikt material från början när man skall göra diamant. I naturen så används kolatomer ifrån multnande växter och djur, vilka får ligga länge och till slut når ned (efter oerhört många år) till undre lager i jordskorpan. Där är det både mycket varmt, och man har ett högt tryck. Med tiden så bildas diamanter, vilka alltså kan brytas i gruvor (t. ex. i Sydafrika). Man kan också göra detta i laboratoriet enligt ett speciellt recept. Antingen använder man också då höga tryck och höga temperaturer, eller också kan man använda lägre temperaturer och tryck. Men man måste också i laboratorierna använda ämnen som innehåller mycket kol för att kunna växa konstgjord diamant (ex. vis. metangas, acetylengas). En del forskare har lyckats med att tillverka diamant i svetslågor.

Varför är stenar hårda?

Om något känns hårt eller mjukt beror på om man kan ändra formen på föremålet. Olika slags sten (mineral) är olika hårda, det finns sådana man kan smula sönder med händerna och sådana som kräver mycket mer kraft för att ändra form. 
Men även storleken har betydelse: En näve fuktig sand, en gatsten eller en klippa kan kemiskt ha samma uppbyggnad men klippan och gatstenen känns hårdare än sanden, där sandkornen lätt flyttas i förhållande till varandra. Det är på samma sätt om man” tittar in” i stenarna, på de atomer som tillsammans bygger upp mineralen. Om alla atomer sitter bundna till varandra på ett sådant sätt att de inte lätt kan flytta på sig blir det svårt att ändra formen på stenen. Diamant (en form av grundämnet kol) har bara sådana starka bindningar, och diamant är också det hårdaste mineralet i naturen. Finns det också svaga bindningar blir också ”stenen” mindre hård. Grafit, en annan form av grundämnet kol som används i blyertspennor, har en skiktstruktur med starka bindningar inom varje skikt och svaga emellan, som en bunt papper. Skikten kan förflyttas i förhållande till varandra och en ”sten” av grafit känns då mjuk.

Varför fastnar det i klibbiga saker?

Tejp är klibbigt mot handen, en slickad klubba likaså. Bägge kan kladda fast på en vägg så att de inte kan tas bort utan att skada väggen. Det vi ser är en förstoring av det som händer mellan de molekyler som bygger upp klubbans yta och de som finns på väggens yta. För att något ska fästa mot något annat krävs någon slags bindning, den mellan det kladdiga och det som kladdar fast. Det finns olika slags bindningar mellan molekyler, från väldigt svaga till ganska starka (men svagare än de som finns mellan atomerna i molekylerna). Många klibbiga saker (tapetklister, den slickade klubban...) har sockermolekyler längst ut som fäster mycket bra mot väldigt många olika sorters ytor, och allra bäst mot ytor som själva har sockermolekyler på sig (träväggar, bomullsfickor...).

Varför blir det bubblor i ett glas vatten som får stå?

Ett rent glas med vattenledningsvatten som får stå i rumstemperatur får snart små bubblor på sidorna. Bubblorna består av luft som funnits i vattnet. Det finns inte mycket luft i vatten, men tillräckligt för att fiskar ska kunna andas. Det finns också mer luft i kallt än i varmt vatten. 

Bubblorna på glasets sidor bildas eftersom luftens molekyler trivs bättre när de är tillsammans än när de är utspridda bland vattenmolekylerna. Luftmolekylerna samlas kring små ojämnheter på glaset. Tittar man noga och gör experimentet flera gånger ser man att bubblorna alltid kommer på samma ställen, något man också kan se i kastruller när man kokar upp vatten.