Vatten

Vatten
Fasövergångar och Löslighet
Alla bilder tagna från Wikipedia under GNU-licens. Bildernas upphovsmän noteras med deras wikipedia-identitet
Bilder tagna av, Janine Chedid, Andreas Tille, Henryk Żychowski, Richard Ling, Markus Schweiss & Malene Thyssen
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
Bilden tagen av flagstaffotos.com.au
Dagens Agenda
• Vattens egenskaper
• Vatten – rent kemiskt
• Vattens fasövergångar
– Frysning
– Kokning
• Vatten som lösningsmedel
• Vattens interaktion med vanliga livsmedelskomponenter
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
Vatten, egenskaper
• Förekommer vid rumstemperatur som
– Smältande fast form (is)
– Flytande form
– Gasform (vattenånga)
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
Vatten, egenskaper
• Ett riktigt bra lösningsmedel
• Hög ytspänning
• Låg Viskositet
– Lätt rinnande
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
Vatten, rent kemiskt
• En molekyl bestående av tre
atomer
• 1 syre, 2 väte
• Stor eller liten?
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
Fasövergångar
• När den termiska energin genererar vibrationer som är
större än vad vätebindningarna kan hålla så kokar vattnet.
Flytande
Temperatur
Gas
• Vid sjunkande temperatur så minskar vibrationerna och en
optimal vätebindningsstruktur kan tillslut antas vid
isbildning
– Varje molekyl binder till fyra andra
– Kristallin fas
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Frysning
• Vatten expanderar vid frysning
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
Vatten som lösningsmedel
Bilden tagen av Chris73
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
Löslighet polära molekyler
• Vissa molekyler kan dessutom inkorporera sig i vattnets
vätebindningsnätverk utan att allt för många
vattenmolekyler behöver anpassa sig
– Ännu bättre löslighet
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
Apolära Molekyler
• Kolväten
– Stora molekyler av symmetriska kolväteföreningar
– Bygger upp, bland annat, oljor och fetter
Bilden tagen av Alex Ex
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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.
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
Exempel, löslighet av specifika livsmedel
• Hur är vattenlösligheten för några av de vanligaste
livsmedelskomponenterna?
–
–
–
–
Fett
Socker
Stärkelse
Proteiner
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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)
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
Bilden tagen av, Janine Chedid
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date
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
Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date