Tre metaller; Järn, Guld och Kalium

Järn

Kemisk beteckning: Fe

Atomnummer: 26

Framställning:

Först bryts järnmalmen i järngruvor där järnhalten. I järnmalmen är järn bundet till olika ämnen, inte som ren metall. Järnmalmen krossas till så små korn som möjligt, och sorteras sen med hjälp av ett magnetiskt rullband som väljer ut de delarna som innehåller mest andel järn. Resten avlägsnas och kallas för gråberg.

Det finns olika sätt för hur man kan utvinna järn ur järnmalmen. Det allra vanligaste sättet är att använda kol i jättelika masugnar vid 2000 °C. Vid den temperaturen reagerar kolet med syret i luften och bildar kolmonoxid.

    6 C + 3 O2 → 6 CO

När kolmonoxiden bildas kan den i sin tur reagera med den upphettade järnoxiden. Produkterna blir metalliskt järn och relativt mycket koldioxid. Reaktionsformeln är:

    6 CO + 2 Fe2O3 → 4 Fe + 6 CO2

Järnen renas sedan från så många andra metaller som möjligt. Detta kan göras genom att man smälter järnen och avlägsnar orenheter som samlas på ytan. Dessa orenheter kan bestå av olika mineraler som ännu är i fast form, men även andra ämnen som har smält och ligger i ett lager ovanför den smälta järnen. Under tillverkningen i masugnen tillsätter man även kalk

Järnet i sin nuvarande form har för hög kolhalt och är för bräckligt, och dessutom icke smidbart. För att minska kolhalten används en metod vid namn färskning, vilket innebär att man genom oxidering (tillsättning av syre) minskar kolhalten. Man hettar upp järnet och pumpar in rent syre i ugnen. Syret kan vid de höga temperaturerna bindas till kol i järnet och bildas koldioxid, vilket lämnar järnet med en mindre kolhalt, nu möjlig att bearbetas för olika syften.

Men järn används sällan i sin rena form. Oftast legeras det med kol och andra ämnen, och olika procenthalter av kol innebär olika egenskaper. Stål innehåller mellan 0,4 och 1,5 % kol, och är nog den allra vanligaste legeringen med järn. Stål är starkare och mer hållbart än rent järn. Det är även hårdare. Gjutjärn har en ännu högre kolhalt,  2–4 %. Gjutjärn innehåller även små halter av kisel. Gjutjärn är mycket hårt, och därmed hållbart. Men ju hårdare ett material är, desto bräckligare blir det, då det inte är lika flexibelt för tryck. Så även om gjutjärnet är mycket starkt och hårt, spricker och knäcks det relativt lätt av kraftiga stötar.

   Därför är t ex gjutjärn utmärkt för verktyg som t ex tänger. Man vill ju inte att tänger ska vara flexibla och böjas, och de kommer inte att uppleva så stora krafter som kan knäcka järnet. Därför är även gjutjärn bra till A-brunnslock, eftersom de dels inte kommer att uppleva så stora smällar eller tryckförändringar, samtidigt som den alltså står stadigt fast och inte böjs. Stål som ska användas till byggmaterial, däremot, måste vara flexibelt och kunna böjas vid tryck. Vad skulle hända om en byggnads stomme plötsligt skulle knäckas av stark vind? Därför byggs byggnader flexibelt.

Källor:

Gleerups: TitaNO Kemi, s. 202   ”Framställning av stål”

https://sv.wikipedia.org/wiki/F%C3%A4rskning

https://sv.wikipedia.org/wiki/J%C3%A4rn

Guld

Kemisk beteckning: Au

Atomnummer: 79

Framställning:

Guld är en av få metaller som förekommer rent i naturen, dvs inte är som del av en legering eller med andra orenheter. Detta är då guld är en ädel metall, vilket försvårar dess förmåga att reagera med andra kringliggande ämnen. Den vanligaste framställningen för guld är vaskning, i vilken man utnyttjar gulds höga densitet. Man sköljer grus innehållande guldkorn med vatten i en vaskpanna, och utnyttjar guldets vikt, då de kornen sjunker till botten av pannan samtidigt som stenen sköljs bort. När man vaskar efter guld är det vanligt att människor gör arbetet i starten, dvs hitta grus som innehåller guld. Sedan kan man med hjälp av maskiner vaska mycket mer effektivt. Guldkornen smälts sedan ihop och renas, genom samma process som jag beskrev ovan, då guldet smälts och orenheter samlas på ytan, som skrapas bort. Guldets densitet säkerställer att andra ämnen flyter till ytan.

Användningsområden:

Gulds användningsområden är många. Det allra vanligaste användningen för guld är smyckestillverkning, år 2010 gick ca 70% av det efterfrågade guldet gick till smycken. 11% användes industriellt och 13% blev guldtackor eller andra rena objekt. ^[1] 

   Då guld är en ädel metall, reagerar den sällan med andra ämnen och är därför resistent mot oxidering (”rost”) och syror. Guld har även en mycket bra elektrisk ledningsförmåga. Därför är guld ett mycket bra alternativ vid små elektronikkomponenter, eftersom guld, fastän i små mängder, inte rostar. Koppar, exempelvis kan bilda kopparoxid lätt, och är därmed i små kvantiteter lönlöst att använda, då kopparoxiden saknar effektiv ledningsförmåga. I stora kvantiteter påverkar oxideringen endast det yttersta lagret, och är därför utmärkt för längre kablar, men i t ex kretskort eller andra små komponenter är det bästa att använda guldplätering då guld som sagt är resistent mot oxidering.

[1] https://sv.wikipedia.org/wiki/Guld#Anv.C3.A4ndning

https://en.wikipedia.org/wiki/Noble_metal

Gleerups: TitaNO Kemi, s. 196  ”Ädla metaller”

Kalium

Kemisk beteckning: K

Atomnummer: 19

Framställning:

Kalium i sin rena form är mycket reaktiv till vatten och oxiderar även snabbt i luft, och förekommer därför inte i ren form. Däremot förekommer det som en salt i havsvatten, kaliumklorid, men i femtio gånger mindre utsträckning än natriumklorid (vanligt koksalt). I stora saliner (saltgårdar, saltbassänger) låter man havsvatten avdunsta och lämna kvar saltet, och här utvinns vanligtvis natriumklorid, men även kaliumklorid kan påträffas. Genom reduktion av smält kaliumklorid med natriumånga kan kalium-natrium-legering framställas. Denna legering separeras sedan i fraktionerad destillation, och 99,5 procentig kalium har framställts. Fraktionerad destillation används när de olika ämnena som ska utvinnas ur en legering har liknande kokpunkt. Ämnen förs genom ett stort torn eller rör, som kallas kolon, i vilken det finns flera olika plattor på olika nivåer, med olika temperaturer. När en komponent (en del i legeringen) kommer till sin nivå då denna kondenseras, utvinns det ämnet och de andra fortsätter genom tornet.

Användningsområden:

   Man kan alltså med fraktionerad destillation skapa näst intill rent kalium. Den har dock förutom häftiga experiment (kalium i vatten -> bildar väte i en exoterm reaktion -> vätet antänds av den exoterma reaktionen -> binds till syre i luften och bildar vatten igen), inga reella användningsområden. Istället används kaliumlegeringar till en mängd olika saker. Kaliumsalter som kaliumklorid används vid matlagning, men smakar svagare och har sämre konserverande effekt än natriumklorid. Kaliumklorid används även inom medicinen, ibland som kaliumkloridtillskott då kroppen är beroende av små mängder av ämnet. Kaliumnitrat (salpeter) används bland annat till konstgödsel (dess största användningsområde), kruttillverkning och kan även tillsammans med socker bilda ett snabbt brinnande improviserat raketbränsle med hög rökutveckling. Kaliumklorat används bland annat som oxidant i tändstickor. En oxidant är ett ämne som innehåller syre och som avger syre i t ex en pyroteknisk reaktion, vilket ger reaktionen mer syre för att fortsätta brinna. Oxidanter (eller blandningar, t ex kaliumklorat + fosfor) brinner mycket snabbt.

Nu kom jag in på ett litet sidospår, men min poäng är att kaliumlegeringar har stora användningsområden, till skillnad från rent kalium.

https://sv.wikipedia.org/wiki/Kalium

http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/l%C3%A5ng/kalium/f%C3%B6rekomst-och-framst%C3%A4llning

https://sv.wikipedia.org/wiki/Fraktionerad_destillation

Egenskaper hos fyra alkoholer

v. 5

Uppgift 

Undersöka fyra olika alkoholer och deras egenskaper.

Syfte 

Lära sig mer om alkoholer genom att undersöka deras olika egenskaper.

Material 

Degel med degellock, doppelektrod, tändstickor, bomullsgarn som veke, provrör, vatten, metanol, etanol, glykol, glycerol

Utförande 

1. Placera degellocket upp och ner på degeln för att få en eldfast ”skål”.
2. Häll lite av den första alkoholen på degellocket.
3. Undersök färg, ledningsförmåga med doppelektroden och hur alkoholen luktar.
4. Prova att tända alkoholen med en tändsticka. Brinner den och vilken färg har lågan i så fall?
5. Om den inte brinner kan du lägga i en veke och se om den då brinner.
6. Låt alkoholen på degellocket brinna upp.
7. Tag 3 cm vatten i ett provrör och häll i lite av alkoholen. Löses alkoholen upp snabbt eller långsamt? Behöver du skaka provröret för att alkoholen ska lösas upp?

Hypotes 

-

Riskanalys

Denna laboration var inte särskilt farlig att utföra för den tränade, även om den innehöll en del eld. En sak att tänka på är att alkoholer brinner med en låga som är mycket svår att se, så även om man tror att alkoholen inte brinner och böjer sig fram för att kolla (vilket det var en grupp hos oss som gjorde, inga namn nämnda ;), kan man bränna och skada sig. Om man skulle råka bränna sig ska man skölja med vatten (helst svalt) i 5 - 30 minuter, beroende på brännskadan.

   En annan, kanske uppenbar för vissa, sak att tänka på är att inte hålla i snöret som man ska använda som veke. Även det var det en person i klassen som gjorde, så det är kanske ändå inte så självklart.

Resultat 

Slutsats

Vilka egenskaper är gemensamma för alla fyra alkoholer?

Ingen av alkoholerna har någon ledningsförmåga. Alla är färglösa. Alla är brännbara, eller har brännbara ångor. Alla går att lösa med vatten, om än svårt.

För vilken egenskap/vilka egenskaper är det störst skillnad mellan alkoholerna?

Enligt våra resultat var lösligheten i vatten den mest varierande egenskapen hos alkoholerna.

Studera strukturformlerna. Vilken alkoholmolekyl är minst och vilken är störst?

Följande molekyler är i storleksordning, minst till störst: metanol, etanol, etandiol (glykol), propantriol (glycerol).

Vilken brann lättast – den med minst eller den med störst molekyl?

Vi fann att molekylerna med mindre molekyler brann lättare, och inte krävde veke. De större molekylerna behövde veke för att kunna bilda brännbara ångor.

Vilken av alkoholerna löstes lättast i vatten – den med minst eller den med störst molekyl?

De alkoholer med mindre molekyler löstes lättare i vatten än de med större molekyler.

Formulera din slutsats om hur brännbarhet och vattenlöslighet är beroende av alkoholmolekylens storlek!

Vår slutsats utifrån dessa resultat är att ju större ämnens molekyler är, desto svårare är det för dessa att ”reagera med omvärlden”. Vad jag menar med det är t ex att ämnena brinner eller att de blandas med vatten eller luft (hur starkt man kan lukta ämnet).

Vattenlöslighet

Ju större molekylerna är, desto mer trögflytande är alkoholerna, och desto mer svårlöst är den i vatten, då de större molekylerna inte kan blanda sig med vattnet lika lätt som små, precis som det är med hur kolvätena blandas med luft. Hur trögflytande vätskan är, eller viskositeten, tror jag också påverkar hur lättlöst den är med vatten. 

Brännbarhet

Anledningen till att brännbarheten är lägre hos alkoholer med större molekyler är simpel. Ju större en molekyl är, desto högre är flampunkten, alltså temperaturen då ämnet avger brännbara ångor. För som vi vet brinner inte själva vätskan, utan dess ångor. Till alkoholerna med mindre molekyler krävs ingen veke, eftersom det redan har bildats ångor som kan brinna, eller åtminstone bildas det ångor när man tillför lågan av en tändare. För alkoholerna som inte kan brinna utan veke hjälper den antända och brinnande varma veken till att bilda ångor av alkoholen som kan antändas.

Lukt (+ lite felkällor)

Med lukten var det mycket enkelt att konstatera att den hade att göra med molekylstorleken. Jag ser en klar anledning till varför. Den är att alkoholerna med större molekyler svårare för att bilda ångor i rumstemperatur, vilket i det fallet är en självklar anledning till att de luktar mindre. Så varför står det i resultaten att metanol luktar mindre än etanol?

   Det kan finnas flera felkällor där. Om man inte luktar på alkoholerna i någon speciell ordning, och råkar ha luktat etanol precis innan, kanske man inte känner så stor skillnad på lukt, och menar därför att metanol inte luktar så starkt. Eller så luktade man olika intensivt på de olika alkoholerna, viftade till sig lukten med handen olika starkt etc. Påverkas resultaten om man haft en förkylning några dagar innan? Och om det nu visar sig att metanol faktiskt luktar mindre än etanol, då kan man spekulera om varför. Ligger etanol i en slags sweet spot där molekylerna är små nog för att bilda en lukt och blanda sig med luften, och stora nog för oss att känna lukten? (Och jag som trodde att slutsatsen skulle förklara saker och ting, den här består ju mest av frågor ;)

Felkällor

I den här laborationen finns många men mindre viktiga felkällor. Resultat kan nämligen variera mellan grupper och individer, då man kan uppfatta hur luktstark en alkohol är olika, man kan uppfatta färger av lågan av den brinnande alkoholen olika, och man kan tycka olika när det gäller hur vattenlöslig en alkohol är. Men som sagt, dessa felkällor är ganska oviktiga, då man förhoppningsvis ändå kommer att uppfatta en skillnad mellan de olika alkoholerna (en tyngdpunkt), alltså är man ändå oberoende av andra gruppers resultat, vilket gör felkällan mindre viktig.

   Resultat av alkoholers färger kan variera, då vissa distributörer väljer att tillsätta färgämnen för att kunna urskilja de olika. I vårt fall hade vi en blå glykol, och de andra alkoholerna färglösa. Detta kan leda till att resultat varierar i kolumnen Färg. Men det finns en anledning till att denna felkälla inte spelar någon större roll; Att man ändå inte analyserar färgerna djupare än att konstatera att de är färglösa. Det är alltså bara att lära sig att det bara är färgämnen som skapar färgen och att alkoholerna egentliga är färglösa.

   För fler felkällor se underrubriken Lukt.

Bygga molekyler #2

Metanol (Träsprit)

Etanol (Sprit)

Etandiol (Glykol)

Propandiol (Glykol)

Global uppvärmning

Att bygga molekyler

Idag byggde vi olika molekyler med hjälp av modellatomer.

Först en mycket enkel, bara för att få en förståelse för hur modellerna beter sig.

Vatten: H₂O

Sedan byggde vi tre olika kolväten, nämligen metan, etan och propan.

Metan: CH₄              Etan:  C₂H₆                      Propan:  C₃H₈ 

Här är en fruktos-molekyl, eller fruktsocker. Den var den svåraste molekylen att göra, eftersom det fanns så många olika versioner på nätet, vara endast några visade alla atomer man behövde.

Fruktsocker: C₆H₁₂O₆

Friktion 

v. 48

Uppgift 

Undersök vilken friktionskraft som finns mellan en träkloss och olika typer av underlag.

Syfte 

Lära sig mer om friktion. Träna på att använda en dynamometer.

Material 

Träkloss (200 g), dynamometer, olika typer av underlag.

Utförande 

1. Fäst dynamometern vid träkolssen.
2. Dra sakta, med jämn hastighet, klossen  över underlaget, ca 30 cm.
3. Avläs dynamometern och skriv resultatet i tabellen.

Hypotes + Resultat

Slutsats 

Vilka underlag gav upphov till mest friktion / minst friktion?

Mest: asfalt, skrovlig

Minst: lack, slät och hårt

Hur ser en yta som ger stor friktion ut?

Den är skrovlig, mjuk (gummi)

Hur ser en yta som ger liten friktion ut?

Den är slät (lack)

Vad påverkar friktionen?

Tyngd och yta

Ge exempel på när man vill ha stor friktion?

Däck, skosulor

Ge exempel på när man vill ha liten friktion?

Hjul, gångjärn, förbränningsmorot

Neon

Allmänt

Kemisk beteckning: Ne

Atomnummer: 10

Smältpunkt: −248,59 °C

Kokpunkt: 27,07 K  (−246,08 °C)

Upptäckt och historik

Neon upptäcktes år 1898 av de brittiska kemisterna William Ramsay och Morris William Travers.
De försökte framställa en ädelgas med en atomvikt på cirka 20 genom att försiktigt avdunsta syre och kväve från flytande luft och sedan med en spektralanalys analysera gasen som var kvar, men istället fick de krypton, som har atomvikten 84.

De trodde då att gasen de försökte framställa, den med atomvikten 20, hade förångats tillsammans med syret och kvävet. Till slut lyckades de få fram en gas med en atomvikt på 20, som de kallade neon, vilket är grekiska för ny, för gasen var ju nyupptäckt.

Utvinning

Neon är en mycket sällsynt gas - ca 1/65 000 av luftens innehåll är neon.

Eftersom neon har en så låg kokpunkt som −246,08 °C, måste man destillera flytande luft med fraktionerad destillation för att utvinna det.

Användningsområden

Neon används mest till lysrör med neon i, även känt som neonrör. Neon börjar lysa i  röd-orange färg när det utsätts för hög spänning. I ett neonrör kan det finnas upp till 4000 volt.

Lysrören i mitten innehåller neon

Neon kan därför också användas till överspänningsskydd. Neon är bra för det indikerar höga elektriska spänningar genom att lysa, så om det blir blixtnedslag eller en elektrisk apparat drar för mycket ström, börjar neonen i överspänningsskyddet lysa.

I flytande form så används neon även till kylmedium, dvs att hålla maskiner och liknande svala, som kylarvätskan i en bil.

Kuriosa

Om man ser en reklamskylt med neonrör i massor med olika färger är det lätt att tro att alla lysrör innehåller neon, men, som nämnt ovan, kan neon bara ge ifrån sig en röd-orange färg. Däremot kan andra ädelgaser, som argon och xenon lysa i andra färger.

Argon, som vanligtvis lyser i blått, är dock den färg som är bäst till färgglada lysrör. Med  argon kan man få valfri färg genom att tillsätta färgpulver.

Den här skylten har neon i rören längst ut, och argon i resten

Blandning eller kemisk förening
v. 39

Uppgift 

Undersöka svavel- och järnpulvers egenskaper. Blanda ämnena och upphetta dem.

Syfte 

Att lära sig om blandning och kemisk förening, träna på att laborera, använda brännare och skriva laborationsrapport.

Material 

Svavelpulver, järnpulver, glasbägare, glasstav, provrör, tratt, magnet, brännare, dragskåp

Utförande 

1. Väg upp 7 g svavelpulver och 4 g järnpulver
2. Undersök och skriv ner deras egenskaper.
3. Blanda järn- och svavelpulver väl. Går det att skilja järnpulvret och svavelpulvret nu?
4. Uphetta blandningen i ett dragskåp. Låt svalna. 
5. Undersök blandningens egenskaper

Hypotes 

Jag antar att järn- och svavelpulver-blandningen kommer att bilda en kemisk förening. Kanske järnsulfid?

Resultat

Sätt att separera: Vatten: svavelpulver flyter och järnpulver sjunker

    Magnet: Järnpulver är magnetiskt och svavelpulver inte

När vi upphettade järn-svavel-blandningen, bildades ett grått ämne som hade ungefär samma färg som stenkol.

Järn-svavel-blandningen upphettas över en brännare

Slutsats 

Det blev en kemisk förening, nämligen järnsulfid: Fe + S = FeS.

Smälta is - koka vatten

v. 37

Uppgift 

Att smälta is, koka vatten och mäta temperaturen.

Syfte 

Att lära sig mer om aggregationstillstånd. 

Material 

Tändstickor, brännare, trefot, glasbägare, vatten, 3 isbitar, termometer, glasstav

Utförande  

Vi sätter in isbitarna i 50 ml vatten och sätter det på trefoten över brännaren.

Glasstaven använder vi till att röra runt i bägaren.

Hypotes

Is smälter vid 1 °C, efter 1 minut

Vatten kokar vid 100 °C, efter 5 minuter

Resultat

Slutsats 

Is smälter vid 0 °C och vatten kokar vid 100 °C. Det är det Celsius-skalan går ut på.

Felkällor: Termometern borde inte kunna visa över 100 °C,

                eftersom vattenångan är det enda av  vatten som blir

                mer än 100 °C varmt. Anledningen till att termometern visar över 100 °C är att den
                rör vid glasbägarens botten. En annan felkälla kan vara att man har olika
                stora isbitar eller olika brännare.