Månadstema Juli: Hållbar utveckling
Laborationer för gymnasiet (kan även passa för högstadiet)
Återvinning av metaller .............................................................................................................. 1
Grön Kemi, Green Chemistry, ................................................................................................... 3
Buffert i naturliga vattensystem ................................................................................................. 4
pH beroende löslighet ................................................................................................................. 5
Återvinning av metaller
Läs om processen för återvinning av metaller (på engelska): http://www.kuusakoski.com/
och http://sv.wikipedia.org/wiki/Boliden_AB
Återvinning av multimetaller till industriella råvaror
Multimetall skrot (t.ex. bilar) består av många material. Dessa material separeras i en multimetall
process enligt nedanstående flödesdiagram:
När produkten först processas avlägsnas alla ämnen från ”utgångsmaterialet” som är skadliga för
återvinningsprocessen och slutprodukterna, eller som är miljömässigt eller arbetsmiljömässigt
skadliga. Källsorteringssystemet tar bort det oönskade materialet från multimaterialet. På samma
gång samlas farligt eller inte återanvändningsbart material in och avlägsnas på ett säkert sätt.
Skrot fördelas till ett industriellt separerbart material.
Icke-metall material, som separerats i processen återanvänds eller placeras i förvaring (”landfill
site” för industriellt avfall). Stål separeras från annat material med en magnetisk separator och
processas till industriellt råmaterial.
Icke-magnetiska metaller separeras från varandra i en separationsanläggning för tunga ämnen
(heavy media). Separationen baserar sig på materialets vikt och elektrisk ledningsförmåga.
1
Skrot innehållande zink indunstas i zinkanläggningen. Ångan oxideras till zinkoxid, eller
kondenseras till zinkpulver. Zinkoxid används av gummi och målarfärgsindustri. Zinkpulver är
råmaterial för anti-korrosionsmålarfärg.
Bly, rostfritt stål, magnesium och koppar separeras och säljs som råmaterial till respektive
industri. Aluminium legeras till råmaterial för gjuterier, som gjuter det till komponenter för
elektronik och automatikindustrin
Återvinning av en aluminiumburk
Det tar i genomsnitt 100 år för en aluminiumburk, som slängts ut i naturen, att sönderfalla.
Energimängden, som krävs för att återvinna aluminium utgör endast 5 % av den energimängd
som behövs för att utvinna aluminium ur bauxit. Läs om återvinning i Sverige på
http://www.ilrecycling.com/
Material: Al från läskedrycksburk, Kaliumhydroxidlösning, 4 M KOH, Svavelsyralösning, 9
M H2SO4, 2 st. 100 ml bägare, tratt och filtrerpapper, glasstav
Riskbedömning Kaliumhydroxid och svavelsyra är mycket frätande. Använd gärna skyddsglasögon.
Utförande
1. Skrapa bort målarfärgen och plastskiktet på insidan av en bit från en läskedrycksburk eller
lös ut plasten mha toluen.
2. Klipp ca 0.3 g aluminium från burken i små bitar och väg dem.
3. Placera bitarna i en 100 ml bägare. Häll 14 ml KOH på Al-bitarna.
4. Låt reaktionen fortsätta tills gasutvecklingen upphör. Filtrera därefter lösningen.
5. Av 7 ml 9 M H2SO4 hälls ca hälften på filtratet långsamt och försoktigt, iakttag förloppet.
Häll därefter i resten av svavelsyran, vad händer nu?
6. Placera blandningen på isbad och iakttag lösningen. Kristallisationen kan underlättas
genom skrapning av kärlets insidor med en glasstav.
Kemisk beskrivning av förloppet
Aluminium reagerar med KOH och bildar en vattenlöslig tetrahydroxialuminatjon (kallas
även aluminatjon) och vätgas.
1. 2 Al(s) + 2 OH- (aq) + 6 H2O → 2 Al(OH)-4 (aq) + 3 H2 (g)
2. Vid tillsats av svavelsyra bildas en fällning av aluminiumhydroxid
2 Al(OH) -4 (aq) + H+ (aq) → Al(OH)3 (s) + H2O
3. Tillsats av mera syra neutraliserar hydroxiden och det bildas en klar lösning av Al(III)
joner och vatten.
Al(OH)3 (s) +3 H+ (aq) → Al3+ (aq) + 3 H2O (l)
2
4. Alun utfaller vid avkylning och skrapning med glasstav
K+ (aq) + Al3+ (aq) + SO4 2- (aq) + 12 H2O (l) → KAl(SO4)2 . 12 H2O s
Alun
Alun kan användas till olika saker, bl.a. till färger, som flockmedel vid vattenrening, både vid
renvattenframställning och avloppsvattenrening. Vid Käppala avloppsvattenrening används
inte alun utan järnsulfat. Du kan läsa mer om processen på deras hemsida:
http://www.kappala.se/reningsp.htm Du kan använda alun till att själv flocka ut
humusmaterial ur naturligt vatten. Det enda du behöver, förutom alun, är att justera pH så att
lösningen som skall flockas blir ca pH ≥ 5 EFTER aluntillsatsen. Låt lösningen stå en stund
så faller flockerna till botten. I ett vattenverk kan man också inleda luft underifrån och då
flyter flockerna upp istället och det rena vattnet samlas nertill. För att få en ännu effektivare
flockbildning används hjälpkemikalier, polymerer, som gör att det organiska materialet hålls
ihop bättre. Andra föroreningar kan inneslutas i flockerna och på så sätt avlägsnas också
dessa. Se http://www.stockholmvatten.se/indexie.htm om processen
Grön Kemi, Green Chemistry
Bakgrund: Grön kemi är en global strävan att få de kemiska processerna så energi- och
materialmässigt fördelaktiga som möjligt. Man minskar på råvaruanvändningen och
tillsatsämnen, om möjligt. Man strävar till att byta ut farliga råvaror om det är möjligt. Läs
mer på http://www.gronkemi.nu/
Ett exempel på hur man kan göra publicerades i JCE 2004:81 No 5 pp. 691-692
Se på de obalanserade reaktionerna:
H2SO4
Al → Al2(SO4)3
Al
NaOH
→
Al(OH)3
(1) alternativt
NaOH
H2SO4
→ Na[Al(OH4)]
→
Al(OH)3
(2)
Båda reaktionsvägarna leder till Al(OH)3 som slutprodukt. Men vilken reaktion är bättre
med tanke på hur mycket material som används?
Om man gör reaktionerna i den här ordningsföljden får vi:
1) 2 Al + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2
2) Al2(SO4)3 + 6 NaOH → Na2SO4 + 2 Al(OH))3
Summa 2 Al + 3 H2SO4 + 6NaOH → 3 Na2SO4 + 2 Al(OH))3 + 3H2
För att producera 8 mol aluminiumhydoxid behövs alltså 24 mol NaOH och 12 mol H2SO4!
3
Jämför resultatet om man gör reaktionerna i omvänd ordningsföljd:
1) 2 Al + 2 NaOH + 6 H2O → 2 Na[Al(OH4)] + 3 H2
2) 2 Na[Al(OH4)] + H2SO → 2 Al(OH))3 + Na2SO4 + H)2O
Summa 2 Al + H2SO4 + 2 NaOH + 4 H2O→ Na2SO4 + 2 Al(OH))3 + 3H2
Då behövs 8 mol NaOH och 4 mol H2SO4 för att producera 8 mol aluminiumhydoxid!
Den här ordningsföljden sparar alltså på råvaruåtgången jämfört med den första metoden.
Kan du föreslå ytterligare en reaktionsväg, som kan spara ännu mer kemikalier?
Genom att jämföra egenskaperna hos mellanprodukterna i de två reaktionsvägarna, en basisk
Na[Al(OH4)] och en sur Al2(SO4)3, kan man skriva ett nytt reaktionssteg
Reaktion mellan Na[Al(OH4)] och Al2(SO4)3 ger också Al(OH))3. Vi adderar:
2 Al + 2 NaOH + 6 H2O
→
2 Na[Al(OH4)] + 3 H2
2 Al + 3 H2SO4
→
Al2(SO4)3 + 3H2
Na[Al(OH4)] + Al2(SO4)3
→
8 Al(OH))3 + 3 Na2SO4
8 Al + 6 NaOH + 3 H2SO4 + 18 H2O → 8 Al(OH))3 + 3 Na2SO4 + 12 H2
Alltså krävs endast 3 mol H2SO4 och 6 mol NaOH för att producera 8 mol Al(OH))3 om vi
utgår från mellanprodukterna; dvs de minsta mängderna jämfört med reaktionerna 1 och 2
Buffert i naturliga vattensystem
Na2CO3
↔
NaHCO3 ↔
H2CO3 ↔ H2O + CO2
Experimentet påvisar att karbonat kan buffra pH värdet i vatten. Karbonat reagerar med vatten
till vätekarbonat, som i lätt sur lösning bildar koldioxid och vatten. Men vatten kan också lösa
en del koldioxid (mer ju kallare vattnet är), och bilda vätekarbonat eller t.o.m. karbonat om
lösningen är tillräckligt basisk.
Material: 1 M HCl, 1 M NaOH, NaHCO3, pH-meter eller BTB, små bägare, ev. termometer.
Riskbedömningsunderlag: 1 M natriumhydroxid är frätande R 34 och S (1/2), 26, 37/39, 45
1 M saltsyra är frätande R 36/37/38 och S(1/2), 26, 45, bikarbonat och BTB är inte
märkespliktiga
Utförande:
1. Mät upp 100 ml vatten i en bägare. Mät pH (eller tillsätt BTB). Tillsätt en droppe 1 M
HCl och mät pH värdet. Tillsätt några droppar HCl och mät pH igen. Tillsätt upp till
30 droppar. Om du har BTB i bägaren tillsätter du HCl tills du får en färgförändring.
2. Gör om samma procedur med 1 M NaOH istället för syran.
3. Sätt nu ca 1tsk Na-vätekarbonat i en ny bägare med 100 ml vatten och rör om. Tillsätt
BTB och gör om försöket med syra
4
4. Diskutera vad som händer i världshaven om de värms upp. Kan det påverka
livsmöjligheterna för organismer i haven?
Om du mätte pH, rita en graf över pH förändringen med syra resp bas, med och utan
buffertverkan av Na-vätekarbonat.
pH beroende löslighet
Teori: Hur ett organiskt ämne vandrar i markvatten och med regnvatten är främst beroende på
dess kemiska egenskaper; dvs hur vattenlösligt det är. Denna egenskap brukar i
miljökemisammanhang uttryckas som Ko/w talet.
Ko/w talet avser hur mycket av ämnet som söker sig till en oktanol-fas dividerat med mängden
som söker sig till vattenfasen. Eftersom det är fråga om stora tal brukar man använda log Ko/w
Om Ko/w är ≥ 3 finns risk för att ämnet är bioackumulerbart.
Hur ett ämne löser sig markvattnet påverkas ibland mycket av yttre faktorer som pH,
temperatur, jordart och jonstyrka. Vi skall i nedanstående laboration se på ett ämne som löser
sig helt olika beroende av pH-värdet. Vi kan se företeelsen p.g.a. att ämnet dessutom fungerar
som en indikator. Det är alltså fråga om en kvalitativ bestämning av fördelningen av ett ämne
mellan två olika faser.
Tillbehör
Separertratt, 100 ml
Pasteur pipetter
Natrium-2,6-dikloroindofenolat hydrat
toluen
1 M NaOH
1 M HCl
Cl
N
O
OH
Cl
Säkerhet: Natriumhydroxid är frätande. Toluen är brännbart och hälsokadligt. Jobba i
dragskåp.
Utförande
1.
Framställ en färsk lösning av natriumdikloroindofenolat hydrat (25 mg/50 cm3 vatten),
tillsätt 1 cm3 1 M NaOH. Gör lösningen samma dag som den skall användas. En starkt blå
färg uppstår.
2.
Tillsätt 25 cm3 toluen och 25 cm3 vatten till separertratten. Sen tillsätts en skvätt av den blå
lösningen fr. pkt. 1
3.
Notera färgen på de båda faserna
4.
Droppa försiktigt i 1 M saltsyra med en pipett i den undre fasen. Vad händer med färgen?
5. Sätt på proppen och skaka lösningen. Låt ämnena separera. .Vad händer?
6. Fundera på vilka kemiska fenomen du tycker att arbetet illustrerar
7. Kan fenomenet ha betydelse i miljösammanhang?
5
Koppling till kursplanerna
Centralt innehåll:
Kemi 1
Tolkning och skrivning av formler för kemiska föreningar och reaktioner.
Substansmängdsförhållanden, koncentrationer, begränsande reaktanter och utbyten vid
kemiska reaktioner.
Planering och genomförande av experiment samt formulering och prövning av hypoteser i
samband med dessa.
Utvärdering av resultat och slutsatser genom analys av metodval, arbetsprocess och
felkällor.
Ställningstagande i samhällsfrågor utifrån kemiska modeller, till exempel frågor om hållbar
utveckling.
Kemisk bindning och dess inverkan på till exempel förekomst, egenskaper och
användningsområden för organiska och oorganiska ämnen.
Kemi 2
Beräkningar på och resonemang om jämviktssystem i olika miljöer, till exempel
jämviktssystem i världshaven, i människokroppen och inom industriella processer
Olika organiska ämnesklasser, deras egenskaper, struktur och reaktivitet.
6
