Fasövergångar och Löslighet

En presentation över ämnet: "Fasövergångar och Löslighet"— Presentationens avskrift:

1 Fasövergångar och Löslighet
Vatten Fasövergångar och Löslighet Alla bilder tagna från Wikipedia under GNU-licens. Bildernas upphovsmän noteras med deras wikipedia-identitet

2 Bilder tagna av, Janine Chedid, Andreas Tille, Henryk Żychowski, Richard Ling, Markus Schweiss & Malene Thyssen

3 Vatten Täcker ca 70% av jordens yta Volym?
Viktigt för regleringen av jordens temperatur Vitalt för de flesta former av liv Människokroppen består till största delen av vatten Bilden tagen av flagstaffotos.com.au

4 Dagens Agenda Vattens egenskaper Vatten – rent kemiskt
Vattens fasövergångar Frysning Kokning Vatten som lösningsmedel Vattens interaktion med vanliga livsmedelskomponenter

5 Vatten, egenskaper Förekommer vid rumstemperatur som
Smältande fast form (is) Flytande form Gasform (vattenånga)

6 Vatten, egenskaper Ett riktigt bra lösningsmedel Hög ytspänning
Låg Viskositet Lätt rinnande

7 Vatten, rent kemiskt En molekyl bestående av tre atomer 1 syre, 2 väte
Stor eller liten?

8 Vad detta borde generera
Molekylers interaktion med varandra beror på deras storlek Stora molekyler “håller hårdare tag” i varandra Molekyler som håller hårt i varandra har en högre kokpunkt Molekyler med jämförbar storlek till vatten har betydligt lägre kokpunkt Ammoniak Kokpunkt -33,34 ̊C

9 Men… Kring varje atom så finns det elektroner som cirkulerar
Kommer i från atomerna Syreatomen attraherar dessa elektroner kraftigare än vätet Detta gör att vattenmolekylen blir polär

10 Vätebindning Polära molekyler binder till varandra genom att de motstående “laddningarna” attraheras Jämför med en magnet Kallas polär bindning Polariteten då just väte binder till en kraftigt elektronattraherande atom är väldigt stor, vilket gör att den polära bindningen blir väldigt stark Kallas vätebindning

11 Vätebindningsnätverk
Även geometrin hos vattenmolekylen är viktig Vatten har på grund av placeringen av väteatomerna i molekylen möjlighet att bilda fyra vätebindningar per molekyl Unikt för molekyler av denna storlek

12 Vätebindningsnätverk
Detta nätverk gör att en vattenmolekyl trivs extremt bra i sällskap av andra vattenmolekyler Nätverket är dock inte statiskt utan bindningar bildas och återbildas hela tiden Detta gör att vatten flödar som en vätska vid temperaturer över 0 ̊C

13 Effekt av vätebindningar
En hög kokpunkt Vatten kan också absorbera mycket energi Hög värmekapacitet Jämför hur lång tid det tar för en stekpanna att bli varm jämfört med att koka upp vatten. 10ggr så mycket energi krävs för att värma vatten en grad jämfört med att värma järn 1 grad Ännu mer energi måste tas upp när vatten omvandlas till ånga Samma energi fås tillbaka igen när ångan kondenserar

14 Fasövergångar Vatten kan som bekant förekomma i tre olika faser Fast
Flytande Gas Det som bestämmer övergångarna är energin hos de enskilda molekylerna Värme orsakar vibrationer hos molekylerna Kallas termisk energi

15 Fasövergångar När den termiska energin genererar vibrationer som är större än vad vätebindningarna kan hålla så kokar vattnet. Vid sjunkande temperatur så minskar vibrationerna och en optimal vätebindningsstruktur kan tillslut antas vid isbildning Varje molekyl binder till fyra andra Kristallin fas Temperatur Flytande Gas

16 Frysning Densiteten för vatten är högre för lägre temperaturer
Eftersom vibrationerna för de enskilda molekylerna minskar får man plats med mer molekyler per volymenhet Fallande Temperatur

17 Vatten expanderar vid frysning
Kristallstrukturen för is kräver dock ett visst avstånd och en viss konformation mellan vattenmolekylerna Detta för att anta optimal vätebindningsform Detta avstånd gör att densiteten för vatten i fast form är lägre än för flytande from vid låga temperaturer Ovanligt Vatten har som högst densitet vid 4°C Vatten expanderar vid frysning Frysning

18 Underkylning Iom att det krävs en inackordering i ett nätverk för den enskilda vattenmolekylerna vid frysning så krävs det väldigt låg energi för att iskristaller ska bildas spontant Vatten kan vara underkylt till under -40°C Det som krävs är en kristalliseringskärna som iskristallen kan börja växa utifrån

19 Påverkan av fryspunkt Som tidigare nämnts så krävs det väldigt låga energier hos varje enskild vattenmolekyl för att kunna anta ett kristallint nätverk av bindningar Om något hindrar bildandet av detta nätverk så krävs ännu lägre energier Fryspunkten för vatten sjunker alltså då någonting är löst i vattnet Saltning av vägar vid vintertid

20 Påverkan av fryspunkt Hur påverkar trycket fryspunkten?
Vatten expanderar vid isbildning Högt tryck motverkar detta Sänker därför fryspunkten Tvärt om för ämnen som icke expanderar Flytande kväve

21 Frysnings påverkan på livsmedel
Vatten expanderar vid kristallisering till is Cellväggar i kött och grönsaker kan sprängas vid frysning Innehållet rinner ut vid tining Vätska förloras

22 Kokning Förångning av vatten är en aning komplicerat
Vatten har hög värmekapacitet Krävs mycket energi för att öka vibrationerna av de enskilda molekylerna Detta för att större avstånd mellan molekylerna motverkar vätebindningarna Vätebindningsnätverket ger dessutom vatten en ovanlig hög ångbildningsvärme Vätebindningarna måste bryts helt för att låta molekylerna gå över till gasfas

23 Ångbildningsvärme Den energi som absorberas då ett ämne förångas utan ökning i temperatur Vattens höga ångbildningsvärme drar vi nytta av vid svettning Bilden tagen av Bibikoff

24 Ångbildningsvärme När vatten kondenserar så frigörs samma energi som krävs vid förångning Bastu vid 100°C Handen i ånga Effektivare sätt att tillaga mat på Jämför med luft Bilden tagen av Mila Zinkova

25 Ångtryck “Viljan” av vattenmolekylerna att vilja övergå till gasfas kallas ångtryck När ångtrycket är större än det omgivande trycket så förångas vattenmolekylerna Ofta är det omgivande trycket från luften, dvs atmosfärstrycket

26 Ångtryck Tillräckligt Ångtryck för förångning kan uppnås på två sätt för flytande vatten Avdunstning Genom “krockar” mellan vattenmolekyler så kan en enskild vattenmolekyl få tillräckligt med energi på bekostnad av andra molekyler Sker vid temperaturer under kokpunkten och enbart vid ytan Kokning Energitillförsel gör att alla molekyler i systemet får tillräckligt med energi för att förångas Förångning sker överallt i systemet Det är denna temperatur som vi kallar kokpunkten

27 Kokpunkt Kokpunkten är tryckberoende!!!
Eftersom kokning sker när ångtrycket är större än omgivande tryck Lägre omgivande tryck = lägre kokpunkt Högre omgivande tryck = högre kokpunkt Bilden tagen av Soljaguar

28 Kokpunkt Högre höjd innebär lägre atmosfärstryck
Kokpunkten på toppen av Mount Everest är ca 69°C Kan leda till vissa problem om man får för sig att laga mat under en promenad till toppen Bilden tagen av Pavel Novak

29 Vatten som lösningsmedel
Bilden tagen av Chris73

30 Vad innebär att lösa Inte en helt lätt definition
En molekyl av någon annan typ anser jag som löst i vatten om den enbart interagerar med vattenmolekyler Dock kan även kluster av molekyler vara lösta om klustret enbart interagerar med vattenmolekyler

31 Löslighet, vätebindningar
Vatten i flytande form består av molekyler bundna till varandra med starka polära vätebindningar Detta innebär att vatten gärna löser substanser som interagerar väl med vätebindningsnätverket

32 Lösning av Polära Molekyler
Inte bara vattenmolekylen kan ha en polarisering av sina elektroner Många vanligt förekommande molekyler är polära Vatten är ett bra lösningsmedel för dessa Kallas hydrofila ämnen

33 Löslighet polära molekyler
Vissa molekyler kan dessutom inkorporera sig i vattnets vätebindningsnätverk utan att allt för många vattenmolekyler behöver anpassa sig Ännu bättre löslighet

34 Apolära molekyler En annan stor grupp av vanligt förekommande molekyler är dock apolära Symmetri i molekylen gör att elektronerna är jämt fördelade och ingen polaritet uppstår Alla delar av molekylen har neutral laddning Kallas hydrofoba ämnen

35 Apolära Molekyler Kolväten
Stora molekyler av symmetriska kolväteföreningar Bygger upp, bland annat, oljor och fetter Bilden tagen av Alex Ex

36 Löslighet apolära molekyler
Eftersom en apolär molekyl är neutral så påverkar den inte vattenmolekylernas vätebindningsnätverk nämnvärt Borde alltså kunna inkorporeras utan problem MEN. Vatten interagerar mycket hellre med andra polära vattenmolekyler än med apolära molekyler Apolära molekyler släpps inte in i nätverket Löser sig inte i vatten

37 Löslighetens temperaturberoende
Generellt så löser sig ämnen bättre vid högre temperaturer Samtliga molekyler får högre termisk energi vilket gör att bindningarna mellan dom blir svagare Gaser fasseparerar inte Polariteten hos vattenmolekylen blir något lägre vid högre temperaturer.

38 Exempel, löslighet av specifika livsmedel
Hur är vattenlösligheten för några av de vanligaste livsmedelskomponenterna? Fett Socker Stärkelse Proteiner

39 Fett Fetter är ett essentiellt livsmedel för människan
Animaliskt fett finns i tex ister och fiskolja Mejerifett finns i mjölk Vegetabiliskt fett finns i Raps och Soja Fetter löser sig inte i vatten Apolära kolväten De kan dock smälta vid högre temperaturer Ger ofta en smakrik och behaglig känsla av livsmedlet Choklad som smälter i munnen

40 Fasseparering Vad händer om olja blandas med vatten?
Systemet separerar i två faser Om kraftig blandning sker så kan små droppar av den ena fasen befinna sig i den andra Detta kallas Emulsion Systemet kommer dock sträva efter fasseparering Snabb återställning vid blandning av vatten och olja

41 Amfifila molekyler En speciell grupp av molekyler har en löslighet både i olja och i vatten Kallas amfifila ämnen Hydrofilt ”huvud” Hydrofob ”svans” Används för att stabilisera emulsioner Är också huvudkomponenten i tvätt och diskmedel

42 Emulsioner Med hjälp av amfifila molekyler så kan droppar av en fas i en annan stabiliseras Vanliga förekommande emulsioner i kylskåpet är Mjölk (fett i vatten) Majonnäs (fett i vatten) Smör (vatten i fett) Bilden tagen av, Janine Chedid

43 Socker Kolhydrater Innehåller energi som kroppen har lätt att ta tillvara på Snabbhöjning av blodsocker nivån Andra energirika komponenter i vår föda görs om till glukos i kroppen innan energin kan skördas Sockers nödvändighet i vår föda har belönat ämnet med en egen smakreceptor – sötma Oftast förknippat med välbehag Jämför bitterhet

44 Socker Glukos är en molekyl med en stark polaritet
Interagerar därför väl med vattens vätebindningar Konformationen på glukos gör också att den kan inkorporeras nästan utan att störa nätverket alls Ännu bättre löslighet

45 Stärkelse Sockerpolymer
Molekyl sammansatt av 1000-tals glukosmolekyler Produceras i växter som energireserv Här lagras energi i form av socker Växterna klumpar ihop stärkelsen i granuler Förekommer i stora mängder t.ex. Vete Ris Majs

46 Stärkelse i vatten Oskadade granuler löser sig inte i vatten
En aning märkligt När temperaturen höjs så inkorporeras dock vatten i stärkelsenätverket och granulen sväller Stärkelsen gelatinerar Förtjockar en lösning kraftigt Mjöl i vatten Temperatur beroende Gelatineringstemperatur mellan 55°- 70°C

47 Protein Proteiner finns i , i stort sett, alla livsmedel
Vital föda för oss människor då vi inte kan tillverka alla protein vi behöver själva Behöver delar från proteiner som vi äter Proteiner varierar i storlek men är ofta (väldigt)stora molekyler Ihopsatta av olika aminosyror 20st kombineras i olika ordning till ett oändligt antal proteiner Proteiner är de ämnen som utför “uppgifter” i människokroppen Hemoglobin DNA replikering

48 Protein i vatten Proteiner är stora molekyler som oftast kan anta olika konformationer Proteinet “veckar” sig för att passa omgivningen Proteiner har ofta båda polära och apolära delar Verkar som amfifila molekyler En del proteiner kan ha som syfte att bygga struktur eller liknande Generellt inte lösliga i vatten Hår, naglar Gluten i växter Ger bröd-deg dess struktur

49 Summering Vatten har unika egenskaper för en molekyl av den storleken
Beror på vätebindningar Hög värmekapacitet Expanderar vid kristallisering Hög ångbildningsvärme Vatten är generellt ett mycket bra lösningsmedel Löser polära ämnen Löser inte apolära molekyler Vatten gillar vatten för mycket Olika livsmedels interaktion med vatten resulterar i många av de egenskaperna som vi eftersträvar vid matlagning