Kjemien stemmer 2

Truls Grønneberg

•

Merete Hannisdal

•

Bjørn Pedersen

•

Vivi Ringnes

KJEMI 2 Grunnbok

BOKMÅL

INNHOLD

Forord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1

Forskning i kjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7 1.1 Forskning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 Etisk forsvarlig forskning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3 Alternative forklaringsmodeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2

Buffere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.1 En buffer holder pH tilnærmet konstant . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2 Buffer laget ved å løse to stoffer i vann . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3 Bufferløsning laget ved å blande to løsninger . . . . . . . . . . . . 27

2.4 Bufferligning og pH-beregninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.5 Naturlige buffere i vann . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3

Redoksreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

Analyse av uorganiske stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.1 Reduksjon og oksidasjon er gamle begreper . . . . . . . . . . . . . 46

3.2 Utvidelse av begrepene oksidasjon og reduksjon . . . . . . . . . . 47

3.3 Balansering av redoksreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.4 Redoksreaksjoner og energi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.5 Antioksidanter og frie radikaler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

67

4.1 Kjemisk analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.2 Kvalitativ uorganisk analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.3 Kvantitative analyser – titreringer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.4 Kvantitative analyser – kolorimetri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3

5

Reaksjoner i organisk kjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Separasjon og instrumentell analyse av organiske stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

Næringsstoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

Biokjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

89

Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.1 Navn og prioriterte grupper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

5.2 Stoffgruppenes karakteristiske reaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . 96

5.3 Påvisningsreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.4 Reaksjonstyper og reaksjonsmekanismer . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

117

6.1 Separasjon av organiske stoffer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.2 Kromatografi som analysemetode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.3 Massespektrometri (MS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

6.4 NMR-spektroskopi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 143

Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

7.1 Tre stoffgrupper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7.2 Karbohydrater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7.3 Lipider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

7.4 Proteiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174

175

Repetisjon fra kjemi 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

8.1 Enzymer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

8.2 ATP og andre bærermolekyler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

8.3 Forbrenning av glukose i cellene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

8.4 Fotosyntesen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

8.5 Stereoisomeri i cellereaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202

4

Kjemien stemmer 2

9

Elektrokjemi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

203

9.1 Elektrokjemi – redoksreaksjoner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

9.2 Galvaniske celler – fra kjemisk energi til elektrisk energi . . . 205

9.3 Cellespenning og reduksjonspotensialer . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

9.4 Batterier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

9.5 Elektrolyse – fra elektrisk energi til kjemisk energi . . . . . . . . 223

9.6 Korrosjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

9.7 Hvordan kan vi begrense korrosjon? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

10 Materialer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

237

10.1 Materialer – fellestrekk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238

10.2 Polymerer – lange kjedeformede molekyler . . . . . . . . . . . . . . 240

10.3 Polymerer laget ved addisjonsreaksjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

10.4 Polymerer laget ved kondensasjonsreaksjon . . . . . . . . . . . . . . 246

10.5 Mer om plast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

10.6 Nanomaterialer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

10.7 Materialer og miljøbetraktninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 Sammendrag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 Ordforklaringer for kjemi 1 og kjemi 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 Stikkordregister . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 Stoffliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

5

FORORD Læreverket Kjemien stemmer Kjemi 2 følger Utdanningsdirektoratets læreplan for kjemi programfag (KJE1-01) i studiespesialiserende utdanningsprogram, per mars 2013. Læreverket består av en grunnbok, en studiebok og et nettsted. For å nå alle målene for opplæringen i Kjemi 2 må studiet i grunnboken suppleres med aktiviteter og oppgaver fra studieboken.

Grunnboken foreligger nå i sin 4. utgave. Vi har revidert den 3. utgaven som kom i 2008, etter de tilbakemeldingene lærere ga på en omfattende spørre­undersøkelse. Kapittel 2 Buffere, NMR-spektroskopi i kapittel 6 og kapittel 8 Biokjemi er helt omarbeidet. I resten av boken er det gjort mindre endringer, hovedsakelig for å oppdatere og forbedre teksten. Teksten er rikt illustrert og leservennlig med ordforklaringer plassert i margen, oppsum­ merende tekster plassert i rammer og med sammendrag på slutten av hvert kapittel. Som i 3. utgave starter noen kapitler med en kort repetisjon av ­emnet slik det ble behandlet i Kjemi 1. Grunnboken inneholder dessuten rammer med aktuelle temaer som utdyper lærestoffet.

Studieboken vil foreligge i ny utgave til skoleåret 2013/14. Som tidligere vil også den 4. utgaven inneholde et rikt utvalg av teorioppgaver og praktiske aktiviteter.

På nettstedet (http://kjemienstemmer.cappelendamm.no) er det en rekke oppgaver og tester til hvert kapittel i grunnboken for elevene. Det er også video­snutter og informasjon som belyser lærestoffet, og egne lærersider.

Også denne gangen håper vi at læreverket vil bidra til å skape interesse for kjemi og naturvitenskap, og til at elever knytter kjemien til dagliglivet og aktuell samfunnsdebatt.

Vi er takknemlige for alle tilbakemeldinger som kan gjøre læreverket bedre, og vi ønsker elever og lærere lykke til med kjemifaget!

Oslo, april 2013 Truls Grønneberg Bjørn Pedersen

6

Kjemien stemmer 2

Merete Hannisdal Vivi Ringnes

Foto av freskomaleri malt av Per Krogh i 1930-årene. Den står i vestibylen i fysikk­ bygningen på Universitetet i Oslo, Blindern. Der malte han tre vegger. Bildet viser forskningen (på vestveggen).

1 Forskning i kjemi Mål for opplæringen er at du skal kunne • finne fram til og presentere eksempler på aktuell kjemirelatert forskning innen miljø og industri • publisere rapporter fra egne forsøk, med og uten digitale verktøy • drøfte hvordan forskere sikrer at forskningen er etisk forsvarlig • gjøre rede for trekk ved vitenskapelig metode i kjemi, og gi eksempler på forklaringsmodeller som ikke er forenlige med ­kjemiens forklaringer

Som et resultat av forskning fremstilles stadig nye stoffer, og kjente stoffer fremstilles på nye måter. Dette er ikke bare et spørsmål om kunnskap og teknologi, men også om etikk og økonomi. Kjemikere ønsker å fremstille nye stoffer som er bedre tilpasset bruken, og som erstatter stoffer som belaster miljøet. Dette kapittelet handler om hva forskning og etikk er. Vi om­taler «den vitenskapelige metoden» og også juks i forskningen.

1 • Forskning i kjemi

7

1.1 Forskning Å finne noe nytt Å forske er å finne frem til noe nytt på en systematisk måte. Vanligvis vil det si noe som er nytt for alle i hele verden, men ordet brukes også om å finne frem til noe som er nytt for en bestemt gruppe mennesker. Den gruppen kan være så liten som klassen din, eller den kan ganske enkelt være deg. Når du lærer deg noe nytt, kan vi si at du forsker. Noen ganger brukes det engelske ordet research, som betyr forskning, om det arbeidet som utføres for å samle inn bakgrunnsmateriale til en artikkel i en avis eller til et program på radio eller fjernsyn.

Vitenskapelig metode Å forske innenfor naturvitenskapen for å finne frem til noe som er nytt i verden, er krevende. Du må først være kjent med det spesialområdet du arbeider på. Det betyr minst tre års studier på universitet eller høyskole. Deretter må du gjennomføre en forskningsoppgave veiledet av en erfaren forsker for å lære hvordan du finner den informasjonen du trenger, hvordan du bruker nødvendig utstyr, og hvordan du skal legge frem og tolke resultatene.

Mange viktige funn er gjort ved tilfeldigheter, og det er også ulike måter som blir brukt for å komme frem til ny kunnskap. Likevel er det en bestemt fremgangsmåte som blir omtalt som den vitenskapelige metoden, og dette er trinnene: 1. Du har fått eller valgt deg en oppgave. Arbeidet går ut på å finne svaret.

2. Du setter deg inn i hva som er kjent fra før på området. Du tenker deg hva svaret kan være, og formulerer en hypotese.

3. Du tester hypotesen ved å gjøre eksperimenter eller beregninger.

4. Du analyserer resultatene og trekker dine konklusjoner.

5. Svaret offentliggjør du så detaljert at andre kan kontrollere arbeidet ditt og eventuelt gjenta det.

Bachelorstudenter i kjemi ved Universitetet i Oslo.

8

1 • Forskning i kjemi

Dersom du har funnet noe revolusjonerende nytt, kan det ta tid før det blir akseptert. Det skyldes at andre forskere holder fast ved det gamle og ikke uten videre aksepterer det nye. De vil selv teste funnet ved å gjøre egne observasjoner og beregninger. Det er som oftest på den måten juks blir oppdaget. Jo mer oppsikt funnet ditt vekker, dess mer vil det bli kontrollert av andre forskere.

Om resultatene dine stemmer med hypotesen, blir ikke avgjort ved en flertallsbeslutning, men ved at nye observasjoner og beregninger som andre fors­ kere har gjort, gir det samme resultatet.

De fleste oppdagelsene fra forskning er små, og bare en sjelden gang kommer et gjennombrudd ved at en eller annen finner noe som er revolusjone-

rende nytt. Veien fra den første telefonen i 1876 til dagens smarttelefon har gått gjennom mange modeller med ulike teknologier – hver telefon litt bedre og billigere enn den forrige.

Å følge den vitenskapelige metoden vil si å være kritisk til den informasjonen man bygger på i sitt arbeid, og åpen om hva man har gjort.

Grunnforskning og anvendt forskning SINTEF = Stiftelsen for industriell og teknisk forskning NIVA = Norsk institutt for vannforskning NILU = Norsk institutt for luftforskning

Forskning deles ofte inn i grunnforskning og anvendt forskning selv om mange mener det ikke er noen klar forskjell. Grunnforskning drives av nysgjerrighet uten tanke på anvendelse og foregår stort sett på universitet og høyskole. Grunnforskning i kjemi kan være å bestemme utvalgte egenskaper hos ett eller flere stoffer mer nøyaktig eller å lage nye stoffer eller kjente stoffer på nye måter.

Anvendt forskning har som mål å utvikle nye produkter og forbedre produkter som allerede er på markedet. Målet kan også være å gjøre dem billigere ved å bruke andre råstoffer eller fremstille produktene på mer miljøvennlige måter. Anvendt forskning foregår i industrien eller i egne forskningsinstitutter som SINTEF, NIVA eller NILU. Anvendt forskning foregår også ved universiteter og høyskoler.

Patent Om du ønsker å beskytte det du har gjort eller funnet ut, kan du ta ut patent.

Patentet gir deg enerett til å utnytte din oppfinnelse. I patentet må du beskrive oppfinnelsen i detalj, og på den måten blir den tilgjengelig for alle. Eneretten som patentet gir, er begrenset til 20 år. De årlige utgiftene til patentet er høye, så mange bedrifter prøver heller å holde oppfinnelsene sine hemmelige. Det er derfor du ofte på bedriftsbesøk ikke får se hele bedriften og må legge igjen mobiltelefon og kamera i resepsjonen. Å snoke i andres bedrifter kalles indu­ strispionasje.

Kjemirelatert forskning

Kristian Birkelands patent nr. 12961 fra 1904. Han tok i alt ut 14 patenter på sin lysbueovn som var grunnlaget for Norsk Hydro.

Det er særlig på to områder i kjemien det er blitt oppdaget mye nytt i de senere årene. Det er innenfor livets kjemi og materialkjemi.

Med livets kjemi tenker vi på kartlegging og forståelse av de kjemiske reaksjonene som skjer i og mellom cellene, og på oppbygningen til de stoffene som inngår i reaksjonene. Se kapittel 8 om biokjemi. I dag vet vi mye mer enn før om hva som skjer på molekylnivå i en levende organisme, og i bioteknologien

1 • Forskning i kjemi

9

prøver mange å anvende den nye kunnskapen til å lage nye stoffer, f.eks. nye legemidler.

Med materialkjemi tenker vi på fremstilling av bedre materialer på nye måter. Det har skjedd mange forbedringer i fremstillingen av plaststoffer og legeringer. Det lages også nye materialer som er kombinasjoner av to eller flere ulike materialer. På side 252 kan du lese om nanomaterialer som er satt sammen atom for atom. Med dem kan vi for eksempel lage sensorer til bruk i kroppen.

Røntgenkjemi løser kolera

gåte Av: Yngve Vogt , journalist 31. august 20 rgi 12 05:00 åder for solene Dyrker nanotr Sannsynlighete t n for å bli alvo tensen. journalis rlig syk av kolera er Av: Arnfinn Chris avhengig av bl od2012 05:00 typen. Ved å st 12. september udere molekyl av grafén kan strukturen i giftstoffe dyrket på flak er åd tr ube-video ne og yn t til kolerabakt ot Bilde: Fra YouT lceller, billigere so erien, er det mNan as nytt botemidde tid ayoNano Cr am av fr t i bl ulig finne produser l mot den fryk net et tede sykdomm blanåt an brikker. um isi sil n en Hvert år ramm en ive .mer effekt kk, es tre til fem m sjonere elektroni lisere illioner menne Dødeligheten er som kan revolu i og e og kommersia sker ol ikl kn tv te av eu høy. Årlig dør 10 er ny ko le vid En ra al . sk m so 0 000 av den dommen. aet CrayoNano, mkfrmyken teer defirsy eim. gang vil de – Kolera er avhe NTNU i Trondh fra teknologi re her. I første om ke ngig av blodtype rs fo m so nn n. Visse blodty risikoen for å bl har bakgru i alvorlig syk, fo e av de ansatte erer å lage solceller. nperFløk ie rter el em le Krengel på Kjem kj r er god for ved i pr of ien es og ld so ol lla r Utevise hva tekn isk inNstyitugu tt ved Universite , m små sopp. Men Når kolerabakt orunn K. Torhei tet i OsloN. anotråder av halvleder noe som ligner eriene Av : Ner p op t fo de rm er pp er po er seg råidgkrivop ner de et giftsto er i sekskantet på NTNU pen, da msunikasjoinnsne mlle ff somkoka én, karbonatom af I etn-laboratorium gr av k fla koleratoksin.05 t yn et supert ks0inet m 12 To:0 skåogbunnen er 30. oktober 20 r to sa ly ta ka ll som Ved å bruke gu nnet helt nye da e er ik får kjem år delser. Slik st in organiske forb hov be er al brukes som et når det r eksempel sk de bedre rust fo m so r ie al kjemik for å lage nye r. le å lage gull av id legem istene, prøvde m ky al e, er ik med, spiller iens kjem kjent ikke lyktes Mens forhistor m so de e no r, etalle mindre edle m kjemikere. rolle for dagens ig kt vi en sk kjemi er i nå gull r innen organi re to sa ly ta ka aller som – Bruk av met

Aktuell kjemirelatert forskning finner du i avisen, på Internett eller på TV. Disse tre eksemp­ lene er fra www.forskning.no.

Fremtidens utfordringer Menneskene står overfor store utfordringer som krever nye løsninger. Her kan også kjemisk forskning bidra.

Antall mennesker på jorden øker stadig, og alle ønsker å leve lenger. Det er i dag store forskjeller i levestandard fra land til land, og alle ønsker å komme opp på vårt nivå. At flere mennesker lever lenger og får høyere levestandard, fører til økt forbruk globalt. Det betyr mer søppel og større utslipp til luft,

10 1 • Forskning i kjemi

vann og jord. Derfor må nye kjemiske prosesser utvikles for å utnytte jordens begrensede ressurser mer effektivt uten at det blir for store belastninger på miljøet. Utfordringen er å forsøke å redusere utslippene selv om forbruket globalt øker. Dette arbeidet vil kreve flere forskere med innsikt i kjemi. Som vi skal se, vil det også kreve innsikt i etikk.

Grønn kjemi Industrieiere ønsker først og fremst å produsere og selge de produktene det er etterspørsel etter, og som mange nok er villige til å betale godt for. Våre valg bestemmer hva som finnes i butikkene, og også hva slags butikker som finnes.

Etter hvert har mange bedrifter tatt den utfordringen det er å fremstille produkter med minst mulig miljøbelastning. Grønn kjemi kalles det, og på dette området har det skjedd mye de siste årene. Målene er å utvikle nye fremstillingsprosesser hvor flest mulig av atomene i utgangsstoffene finnes igjen i produktene, å redusere bruken av hjelpestoffer i prosessen til et minimum og å unngå bruk av giftige stoffer. I rammen finner du et eksempel.

Plantevernmiddelet Roundup Fremstilling av DSIDA, som er det aktive stoffet i plantevernmiddelet Roundup, gjøres i dag på en «grønnere» måte enn tidligere. Tidligere var utgangstof­fene de giftige stoffene ammoniakk, formaldehyd og blå­syre. I den nye

prosessen er formaldehyd og blåsyre erstattet av etenoksid.

Reaksjonen med etenoksid er sikrere å gjennomføre og gir større utbytte. Ved bruk av en kobberkatalysator blir det første stoffet man får, omdannet til det ønskede produktet.

Før

Nå O

NH3

+ H CHO + HCN

ammoniakk formaldehyd

NC

CH2

NH

NH3

blåsyre

CH2 CN

HO

NaOOC CH2

NH DSIDA

H2C

CH2

ammoniakk

etenoksid

CH2 CH2 NH

CH2 CH2 OH

Cu-kat

NaOH

+

NaOH

CH2 COONa

Grønn kjemi i fremstilling av DSIDA. Utgangsstoffene er mindre skadelige i den nye prosessen (grønt felt) enn i den prosessen som tidligere ble brukt (blått felt).

1 • Forskning i kjemi

11

1.2 Etisk forsvarlig forskning Etikk og moral Etikk er læren om moralen, som er de reg­lene og verdiene vi er opplært til å leve etter. De ble innpodet i oss da vi vokste opp, og var bestemt av kulturen i vårt oppvekstmiljø. Etter hvert er Norge blitt et flerkulturelt samfunn. Vi kan derfor lett treffe mennesker som lever etter andre regler enn vi selv gjør, og reglene deres er ikke nødvendigvis bedre eller dårligere enn våre. De er bare forskjellige.

Etikk og moral er en viktig del av faget filosofi. Etikk i forbindelse med forskning betyr først og fremst at forskere ikke skal jukse eller misbruke de resul­tatene de kommer frem til. Etiske vurderinger er viktige for mange valg vi tar i livet.

Norges forskningsråd har opprettet flere forskningsetiske komiteer som øns­ ker å skape en kritisk debatt om forskning (se www.kjemienstemmer. cdu.no). De har en egen komité for naturvitenskap og teknologi (NENT).

NENT har laget en sjekkliste for de som ønsker å starte et forskningsprosjekt.

Første punkt gjelder prosjektets mål og metode: Vil prosjektets mål og metode bryte med allment akseptert verdisyn?

Dette kan f.eks. gjelde hvis • prosjektet bidrar til å øke kontroll og manipulering av enkeltindivider i samfunnet • miljøhensyn ikke blir tilstrekkelig ivaretatt • prosjektet har diskutable militære/forsvarsmessige implikasjoner • prosjektet bryter med norsk lov (f.eks. dyrevernloven eller forskrifter om biologiske forsøk) Mange bedrifter har også laget egne etiske regler som de ansatte må kjenne til og rette seg etter. I reglene blir det opplyst hvilke konsekvenser det kan få om en forsker bryter dem. I skolen og på universitetet har etikk fått større oppmerksomhet og inkluderes i stadig flere studier.

Hvorfor bryter en forsker etiske regler?

Selv om forskere ikke skal jukse, leser vi av og til om noen som har gjort det.

Noen er blitt avslørt fordi de publiserer andres resultater som sine egne, eller hevder at de har gjort observasjoner som de faktisk ikke har gjort.

Vi er alle utsatt for fristelser. En forsker kan for eksempel komme til å stjele ideer fra andre, ikke ta med navnene på alle som har bidratt til de resultatene han eller hun rapporterer, ikke referere til andres undersøkelser som

12 1 • Forskning i kjemi

ikke passer med egne resultater, endre eller fabrikkere målinger slik at de passer bedre til egne teorier, o.l.

Hvorfor jukser forskere? Det er fordi en forsker kan få en bedre eksamen, en doktorgrad, en attraktiv stilling, høyere lønn, økt prestisje og større tilgang til forskningsmidler når det han eller hun gjør, får positiv oppmerksomhet.

En forsker som gripes i brudd på de etiske reglene, kan bli straffet på forskjellig vis. Personen kan bli utvist fra universitetet, fradømt en grad, degradert til en lavere stilling, avskjediget, anmeldt til politiet e.l. avhengig av hvor alvorlig bruddet er.

Alle vet når de jukser. Etikken kommer også inn i andre situasjoner, og da kan det være vanskelig å vite hva som er «riktig». Forskere har også et samfunns­ansvar.

Pauling og C-vitamin

Linus Carl Pauling (1901−1994).

Linus Pauling var en berømt kjemiker på 1900-tallet. Han fikk nobelprisen i kjemi i 1954 for sine bidrag til å forstå kjemisk binding og for bestemmelse av strukturen av en rekke organiske molekyler. Han organiserte også tidlig ­forskere mot atombombeprøver og fikk Nobels fredspris for

det i 1963. Begge prisene var fullt fortjent, men han hadde også en fiks idé. Han hevdet at C-vitamin inntatt i grammengder per dag ville hindre at du ble syk. Han var en meget god foreleser og snakket over hele verden med entusiasme om bruk av C-vitamin, som er en kjent antioksidant. En gang han kom til Trondheim, ville han gjerne holde en forelesning om C-vitamin, men da var flere blitt skeptiske til at store doser av dette vitaminet forlenger livet.

Arrangørene ville også ha med noen som ville komme med motargumenter. Pauling avslo det, men det var uetisk.

Pauling ble en gammel mann. Han døde 93 år gammel i 1994, så man kan si at hans liv viste at han hadde rett.

Men store kliniske undersøkelser av et stort utvalg av men­ nesker har vist at han tok feil.

Hva kan vi lære av denne historien? Det er at selv om et menneske har store kunnskaper på ett område og har gjort godt arbeid der, betyr ikke det at vedkommende er ekspert på alt. Snarere tvert imot. Men du kan se det stadig vekk i aviser, på TV og i andre medier. De som deltar i debattene, er kjendiser av ulik art som uttaler seg om de forskjelligste, innviklede saker. Husk da at Pauling – en ekspert på ett om­­råde – tok fullstendig feil på et annet. Dessuten skal du høre ekstra godt etter hva mennesker med store talegaver sier, for karismatikere lurer deg lett.

Etikk i skolen Du vet kanskje om noen som har skrevet av andres besvarelser, har utelatt noen av de viktige resultatene eller endret målinger når de rapporterer fra en øvelse? Alt dette er brudd på de etiske reglene som en elev bør følge. Dette er

1 • Forskning i kjemi

13

juks. Men hva med deg når du vet at en annen elev har jukset? La oss si at du er tillitsmann i klassen. Skal du si fra? Skal du be den som jukser, å melde seg selv? Det er en etisk vurdering som du må ta stilling til.

Det er så vidt vi vet, ikke laget etiske regler for lærere eller elever som gjelder for alle fag i skolen. For bruk av IKT har flere skoler laget regler. Har din skole slike regler?

Oppdragsforskning Oppdragsforskning er forskning som blir betalt av en oppdragsgiver som bestemmer tema og problemstillinger, og som får bruksrett til resultatene. Oppdragsgiveren kan være en privat bedrift, men kan også være et departement eller et forskningsråd. Slik forskning er annerledes enn den frie forskningen, der forskeren kan bestemme hva han eller hun vil arbeide med, og publisere resultatene fritt. I oppdragsforskning kan forskerne bestemme fremgangs­ måten og hvilke metoder som skal benyttes, men målet er det oppdragsgiveren som bestemmer. Forskerne konkurrerer da med andre forskergrupper/ forskningsinstitutter om å få oppdraget.

Oppdragsforskning er nødvendig for næringsutvikling, industri og offentlig forvaltning. Mange forskere som arbeider med oppdragsforskning, er bekymret for bindingen til oppdragsgiveren og hva resultatene kan bli brukt til.

Her kan forskerne bli stilt overfor etiske dilemmaer. Kanskje er resultatene ikke i samsvar med det oppdragsgiveren hadde håpet. Oppdragsgiveren kan da ønske å legge forskningsresultatene i en skuff selv om forskerne gjerne vil publisere dem. Resultatene kan være verdifulle selv om de ikke passer for oppdragsgiveren. For å unngå å komme i en slik situasjon må det settes opp en tydelig kontrakt mellom oppdragsgiveren og forskergruppen. Kunnskaps­ departementet utarbeidet derfor i 2011 en ny standardkontrakt for forsk­ nings- og utredningsoppdrag.

Et aktuelt eksempel på oppdragsforskning i Norge er CO2-rensing. Her er det offentlige villig til å sette inn store ressurser. Er det mulig å redusere utslippene globalt slik at det virkelig monner? Hvor mye er vi villige til å betale for denne forskningen? Bør Norge gå foran fordi vi utvinner så mye olje og gass?

Og det store spørsmålet: Skyldes virkelig klimaendringene økning av CO2mengden i atmosfæren?

14 1 • Forskning i kjemi

Fjerning av karbondioksid Det er ikke praktisk eller økonomisk mulig å fange det CO2-et som kommer fra det lille forbrenningsanlegget som en personbil er. Men fra store anlegg, som Mongstad energiverk, kan det være mulig. Men selv det å fange CO2 må ha statlig støtte for at energiverket skal bli økonomisk lønnsomt.

Et energiverk kan brenne naturgass, olje eller kull. Til forbrenningen trengs mye luft, og da blir det frigjort store mengder CO2. Alle karbonatomene i brenslet blir oksidert til karbondioksid. CO2 er en gass som ikke kan lagres ved et trykk på 1 atmosfære fordi det krever for mye plass.

Hvordan kan man da unngå at den slipper ut i atmosfæren?

Mongstad energiverk skal etter planen levere 630 MW energi per år, og det blir da produsert ca. 100 000 tonn CO2. Dette CO2-et må lagres så det ikke skal slippe ut i atmosfæren. Fordi luft brukes til forbrenningen, vil avgassene fra verket også inneholde store mengder nitrogen og en del argon. CO2-gassen må så skilles fra disse gassene før den kan lagres.

En løsning er å skille nitrogen og argon fra luften før forbrenning, slik at forbrenningen foregår med ren oksy-

85–90 % av CO2-en er skilt bort fra røykgassene.

gengass. De tre gassene kan skilles fra hverandre ved først å avkjøle luften til en væske ved –200 oC, og så skille dem ved destillasjon. Men det er dyrt. En annen metode er å bruke en membran som bare oksygen slipper igjennom.

Problemet her er at noen må finne opp en slik holdbar membran først.

En metode som er under utvikling, er å fjerne CO2(g) ved å bruke aminer. CO2 i røykgassen løses i en aminløsning og danner nye forbindelser. Ved oppvarming spaltes disse forbindelsene, og CO2 frigjøres igjen. Innfanging (absorbering) og frigjøring (utskilling) skjer i to forskjellige tårn (se figuren nedenfor).

Etter disse renseprosessene sitter man igjen med ren CO2-gass (5). Denne gassen skal etter planen injiseres i feltet der naturgassen eller oljen kom fra. Den kan også pumpes ned i havet på under 750 m dyp. CO2 blir da en væske på grunn av det høye trykket. Begge metodene har vært testet ut i mindre målestokk. Om det blir gitt tillatelse til å gjøre dette i større målestokk, er i 2012 fortsatt usikkert.

3 Gassen stiger oppover i tårnet. Aminer renner nedover. CO2 bindes til aminene, og blandingen renner ned i bunnen av tårnet.

Absorberingstårn ca 40 m høyt

Utskillingsenhet

5 Ren CO2 ut til lagring eller deponering

Amin pumpes tilbake

Kjøleenhet

Amin- og CO2-blanding

1

Damp pumpes inn

2

Gassen kjøles ned til 30–40 °C ved hjelp av vann.

4

Amin- og CO2-blandingen varmes opp. Ved 120 °C slipper aminet CO2-gassen.

Aminet synker ned, mens CO2-gassen stiger opp.

Røykgass kommer fra gasskraftverket.

Røyken inneholder 3–4 % CO2.

1 • Forskning i kjemi

15

1.3 Alternative forklaringsmodeller Det finnes forklaringsmodeller som ikke er forenlige med kjemiens forklaringer. Felles for dem er at de tar utgangspunkt i teorier som man antar er sanne, og som ikke er blitt endret på lang tid, gjerne flere hundre år. Eksempler er akupunktur, alkymi og homøopati.

Alkymi

khymeia (gr.) = kjemi

Kjemi som eget fag ble etablert på slutten av 1700-tallet. Mange av dem som studerte stoffer og hvordan de reagerte, ble før den tid kalt alkymister. Alkymien bygde på teoriene til den greske filosofen Aristoteles. De ble lært og aksep­tert av alle i nesten to tusen år. Aristoteles og andre av oldtidens filosofer brukte ikke den vitenskapelige metoden. Deres teorier var spekulasjoner.

Alkymisten med sine hjelpere og utstyret han brukte.

Alkymistene forsøkte å lage gull av billigere metaller, de forsøkte å finne stoffer som kunne gi dem og deres kunder evig liv, og de lette etter de vises stein.

De utviklet teknikker som destillasjon og krystallisasjon, og de lærte mye om egenskapene til stoffene. Men ingen av dem klarte å nå målene. De fornuftige trakk da den konklusjon at det var umulig å nå dem, og følgelig måtte teoriene til alkymistene være gale. Men noen svindlere fortsatte fordi det var en måte å skaffe seg penger på. Det ga både alkymister og kjemikere et dårlig rykte.

Aristoteles (384–322 f.Kr.)

16 1 • Forskning i kjemi

elixir (lat.) = avkok, medisin

De mer seriøse alkymistene endret forklaringsmodellene og målet for sitt arbeid. Det var fra deres arbeid moderne kjemi oppsto. Men fortsatt er det noen som kaller seg alkymister, og som forsøker – slik de gamle gjorde – å lage gull av billigere metaller, og eliksirer som skal gi evig liv. Noen hevder til og med at de har klart det. Verden vil bedras! Du finner dem på Internett.

Homøopati homoios (gr.) = lignende pathos (gr.) = lidelse potens (lat.) = evne, kraft

C = centi, 1 : 100 D = deci, 1 : 10 Den homøopatiske medisinen Oscillococcinum er laget ved at 1 g lever og hjerte fra moskus­and er knust i et løsemiddel og fortynnet 200 ganger i forholdet 1 : 100 (C200).

Deretter blir løsningen tilsatt så mye sukker at man kan lage piller. Medisinen Homeoden inneholder ekstrakt fra planten tyrihjelm fortynnet 200 ganger i forholdet 1 : 10 (D200).

Tyrihjelm inneholder det giftige stoffet akonitin, men fordi fortynningen er så stor, er det ikke noe av det giftige stoffet tilbake i preparatet.

Homøopati er i strid med dagens kjemi. Den stammer fra ca. år 1800. Homøo­ pater behandler sykdom med stoffer som frembringer de samme symptomene som sykdommen.

Homøopatiske medisiner stammer vanligvis fra ekstrakter fra planter, dyr og mineraler. Disse ekstraktene gjennomgår viktige fortynnings- og potenseringsprosesser. Mellom hver fortynning blir løsningen ristet kraftig for å tilføre energi slik at medisinen skal gi sterkere virkning. Det kalles potensering.

Prosessene gjentas inntil man har den ønskede fortynningsgraden. For eksempel oppnås en D200-potens (se bildet) ved å fortynne den opprinnelige løsningen 1 : 10 (D) i alt 200 ganger. Begynner man med en løsning som inneholder 1 mol/L av et stoff, vil det allerede etter 24 fortynninger i forholdet 1 : 10 ikke være molekyler igjen av det virksomme stoffet i løsningen. Ifølge homøopatene er det da løsemiddelet som bærer effekten videre. Potenseringen har gjort at vannmolekylene er blitt merket av det homøopatiske stoffet.

Sett med kjemikerøyne inneholder en fortynning på D200 bare løsemiddelet. Men selv det reneste løsemiddel inneholder små mengder andre stoffer, så det er disse stoffene man får i seg.

I homøopatien regner man at stadig flere fortynninger vil gi «sterkere» medisin. Homøopatisk medisin som er sterkt fortynnet og med høy potensering skal, ifølge homøopater, brukes med forsiktighet og i samråd med dem. Medisin som er mindre fortynnet, kan brukes ved egenbehandling av fysiske plager.

Homøopati er i liten grad a­ ksep­tert innenfor kunnskaps­ basert medisin fordi det er vanskelig å godta at et medikament kan virke når alle de aktive mole­kylene er borte. Dessuten mang­ler det gode vitenskapelige undersøkelser som viser en effekt av homøopatiske preparater.

En fordel med de homøopatiske legemidlene er at de ikke har bivirkninger fordi det ikke er noe virkestoff igjen. I skolemedisinen er det annerledes. Mange legemidler kan ha alvorlige bivirkninger.

1 • Forskning i kjemi

17

Sammendrag • Å forske er å finne frem til noe nytt på en systematisk måte.

• Å følge «den vitenskapelige metoden» vil si å være kritisk til den informasjonen du bygger på i ditt arbeid, og å være åpen om hva du har gjort.

• Etikk er læren om moralen, som er de reglene og verdiene vi er opplært til å leve etter. De ble innpodet i oss da vi vokste opp, og var bestemt av kulturen i vårt oppvekstmiljø.

• Vi sikrer at forskningen er etisk forsvarlig ved å lage regler for hvordan forskningen skal planlegges og utføres. Det eksisterer også forskjellige straffereaksjoner for dem som bryter reglene.

• Alkymi og homøopati er eksempler på forklaringsmodeller som ikke er forenlige med kjemiens forklaringer.

18 1 • Forskning i kjemi

2 Buffere Mål for opplæringen er at du skal kunne • forklare hvordan buffere virker, og beregne pH og kapasitet i buffere

I naturen, i kroppen vår og i produkter på badet er det ­buffere som gjør at pH ikke så lett endres. pH-endringer­ i et akvarium kan for eksempel bety døden for fisk, og en pH-endring i blodet på mer enn 0,4 i den ene eller andre ­retningen kan føre til bevisstløshet. På laboratoriet og i industrien brukes buffere for å holde pH i en løsning omtrent konstant slik at det blir dannet mest mulig av de stoffene man ønsker.

I dette kapittelet kan du lese mer om hvordan buffere ­virker, hvordan de kan lages, og hvordan vi kan beregne pH i bufferløsninger.

2 • Buffere

19

Repetisjon fra kjemi 1 Syrer og baser

Syrekonstant

Brønsteds definisjoner av syre og base: En syre er et stoff som kan avgi H+. En base er et stoff som kan motta H+.

I syre-base-reaksjoner skjer det overføringer av H+-ioner (protoner). Slike protonoverføringer kalles protolyser.

Likevektsreaksjonen for en svak syre HA løst i vann er

En syre blir klassifisert som en sterk syre hvis nærmere 100 % av syrepartiklene har avgitt H+ til vannmolekyler. Vi bruker enkeltpil () for å vise at ­reaksjonen går helt mot høyre. Saltsyre, HCl, er et eksempel på en sterk syre.

HCl(g) + H2O(l)  H3O+(aq) + Cl–(aq) syre sur løsning H+ saltsyre Den sterke syren saltsyre skriver vi likevel som HCl(aq). De to andre sterke syrene du må kjenne til, er HNO3(aq) (salpetersyre) og H2SO4(aq) (svovelsyre). De aller fleste andre syrer er svake syrer.

I en svak syre er det bare en liten del av syrepartik­ lene som har avgitt H+ til vannmolekyler. Vi bruker likevektspil ( ) for å vise at reaksjonen er en likevektsreaksjon. I 0,1 mol/L eddiksyre, CH3COOH, er bare 1 % av syrepartiklene spaltet. Eddiksyre er en svak syre.

CH3COOH(l) + H2O(l) eddiksyre

H+

20 2 • Buffere

H3O+(aq) + CH3COO–(aq)

HA(aq) + H2O(l)

H3O+(aq) + A–(aq)

Likevektsutrykket er [H3O+] · [A–] = Ka

[HA] Syrekonstanten, Ka, er et mål for syrestyrken til en svak syre. Syrekonstanten har enheten mol/L. Jo større Ka er, desto sterkere er syren. For sterke syrer er syrekonstanten uendelig stor og oppgis derfor ikke.

Navn på syrer og baser En oksosyre har oksygen i formelen, og navnet er sammensatt av navnet på det spesielle grunnstoffet + ordet syre. Her er noen eksempler på det: H2SO4 svovelsyre, H2CO3 karbonsyre, H3PO4 fosforsyre og H2CrO4 kromsyre.

Svovelsyre er en toprotisk syre fordi to H-atomer kan bli avgitt når negative ioner dannes. Fosforsyre er treprotisk.

Navnet på de negative ionene fra oksosyrene ­ender på -at, og vi tar med antallet H-atomer i ionet.

Eksempler: SO42− heter sulfat, HCO3− heter hydrogenkarbonat, H2PO4− heter dihydrogenfosfat.

Stoffmengde og mol Stoffmengden 1 mol av et stoff inneholder 6,022 · 1023 partikler av stoffet.

Den molare massen av et rent stoff er massen i gram per mol av stoffet. Den molare massen i g/mol

har samme måltall som atommassen/molekylmassen/formelmassen i u. Av formelen for et stoff kan vi regne ut den molare massen av stoffet ut fra atommassene i periodesystemet.

Konsentrasjonen i mol/L I molare løsninger er konsentrasjonen av et stoff oppgitt i mol per liter løsning. En hakeparentes som [OH–] betyr konsentrasjonen av hydroksidioner i mol/L. Enheten mol/L skrives også M. Vi sier at en løsning på 2M er to-molar.

pH er et mål for surhetsgraden pH = –log [H3O+] og [H3O+] = 10–pH mol/L [H3O+] må alltid være oppgitt i mol/L, men vi sløyfer enheten når vi regner ut pH. pH-skalaen er logaritmisk, derfor vil en liten endring i pH bety en stor endring i antallet H3O+ioner per liter. Ved pH = 3,0 er konsentrasjonen av H3O+-ioner 10 ganger så stor som ved pH = 4,0 og 100 ganger så stor som ved pH = 5,0.

Syre-base-par En syre og en base utgjør et syre-base-par dersom forskjellen mellom dem er bare én H+. Da omtales de også som korresponderende syre og base. I en syrebase-reaksjon er det alltid to syre-base-par: NH4+ + H2O syre1 base2

NH3 + H3O+ base1 syre2

Jo sterkere en syre er, desto svakere er den korresponderende basen. Jo svakere en syre er, desto sterkere er den korresponderende basen.

Beregning av pH i en syre En énprotisk syre kan avgi ett H+. En sterk énprotisk syre protolyserer fullstendig slik at [H3O+] = [syre], og pH = −log[syre].

I 0,1 mol/L HCl er pH = – log 0,1 = 1 Det er mer komplisert å beregne pH i en løsning av en svak syre. Det er fordi den svake syren ikke reagerer fullstendig med vann, slik at vi må bestemme [H3O+] ut fra en likevekt og sette likevektsuttrykket lik syrekonstanten Ka.

Vannets ioneprodukt Da Kw = [H3O+] · [OH–] = 10–14 (mol/L)2 ved 25 °C, har vi følgende forhold: • i nøytrale løsninger er [H3O+] = [OH–] = 10–7 mol/L • i sure løsninger er [H3O+] >> 10–7 mol/L • i basiske løsninger er [H3O+] << 10–7 mol/L pKw = pH + pOH = 14

2 • Buffere

21

Eksempel på beregning av pH i svak syre Beregn pH i 0,10 mol/L CH3COOH. Ka for eddiksyre er 1,8 · 10−5 mol/L. Svar I en løsning av eddiksyre i vann innstiller det seg en likevekt: CH3COOH(aq) + H2O(l)

H3O+(aq) + CH3COO−(aq)

Konsentrasjonen av eddiksyre før protolyse er [CH3COOH]start = 0,10 mol/L. Etter at det er oppnådd likevekt i systemet, er [H3O+] = x, og konsentrasjonen av eddiksyre [CH3COOH] = [CH3COOH]start – x = 0,10 mol/L – x.

Vi kan se bort fra de H3O+-ionene som er i rent vann før protolysen, fordi konsentrasjonen av disse ionene til sammenligning er  0.

Likevektsuttrykket er [H3O+] · [CH3COO–] = Ka

[CH3COOH] Vi setter inn den oppgitte verdien for syrekonstanten for eddiksyre og konsentrasjonene av eddiksyre og H3O+ ved likevekt:

x·x

= 1,8 · 10–5 mol/L 0,10 mol/L – x Vi omformer uttrykket og finner x av andregradsligningen: x2 + (1,8 · 10–5 mol/L) x – 1,8 · 10–6 (mol/L)2 = 0

x = 1,33 · 10–3 mol/L

[H3O+] = x = 1,33 · 10–3 mol/L

pH = –log [H3O+] = –log (1,33 · 10–3) = 2,9

I 0,10 mol/L CH3COOH er pH = 2,9.

På tilsvarende måte kan vi beregne pH i en svak base.

22 2 • Buffere

Le Châtelier-prinsippet Når en likevekt blir påvirket utenfra, blir likevekten forskjøvet slik at effekten av påvirkningen blir mindre. Det er som om likevekten motsetter seg forandringen.

Titrerkurver Syrer og baser nøytraliserer hverandre. Konsentrasjonen av en syre eller en base kan vi bestemme ved nøytralisering. Vi kan for eksempel finne ut hvor mye av en base med kjent konsentrasjon som går med til å nøytralisere et bestemt volum av en syre med ukjent konsentrasjon. Metoden kalles titrering.

Det bratte området på kurven spenner over mange enheter på pH-skalaen, og midten av området er ved pH = 7,0. Når vi titrerer en sterk syre med en sterk base, får vi en nøytral løsning ved ekvivalenspunktet.

Titrerkurven for en svak syre (i kolben) titrert mot en sterk base (i byretten) har et bratt område som ikke spenner over så mange enheter på pH-skalaen: Ved titrering av en svak énprotisk syre (f.eks.

CH3COOH) med en sterk base (NaOH(aq)) er løsningen en buffer omkring halvtitrerpunktet. Reaksjonen i kolben er: CH3COOH(aq) + OH–(aq)  CH3COO–(aq) + H3O+(aq)

Vi bruker en indikator for å bestemme ekvivalenspunktet. Ved ekvivalenspunktet er den tilsatte stoffmengden base lik den opprinnelige stoffmengden syre som var i kolben. Forutsetningen er da at både syren og basen er énprotiske.

Ekvivalenspunktet kan også bestemmes ved å måle pH og tegne en titrerkurve.

H+ I likevektsuttrykket på side 22 er [CH3COOH] = [CH3COO–] i halvtitrerpunktet. Da blir [H3O+] = Ka, der Ka er syrekonstanten for den svake syren, og pH = pKa.

Titrerkurven for den sterke syren HCl (aq) (i kolben) titrert mot en sterk base NaOH(aq) (i byretten): pH 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

ekvivalenspunkt

5 10 15 20 25 30 35 Volum tilsatt av NaOH(aq) i mL

pH 14 13 12 11 10 ekvivalenspunkt 9 8 7 6 5 halvtitrerpunkt 4 3 startpunkt 2 1 0 5 10 15 20 25 30 35 Volum tilsatt NaOH(aq) i mL

2 • Buffere

23

2.1 En buffer holder pH tilnærmet konstant Det kan være nødvendig å holde pH konstant i en løsning hvor det foregår en kjemisk reaksjon for å få mest mulig av et ønsket produkt på kortest mulig tid. Da lar man reaksjonen foregå i en buffer. Vi bruker også buffere til å innstille (kalibrere) pH-metre.

I dagligtale er en buffer en støtdemper, eller i overført betydning noe som demper motsetninger. I kjemien er en buffer en vannløsning hvor pH endrer seg lite dersom løsningen blir tilført en ikke for stor mengde syre eller base.

En buffer er en løsning der pH blir lite endret når vi tilsetter små ­mengder sterk syre eller sterk base.

På laboratoriet kan vi lage en buffer ved å løse to stoffer i vann eller ved å blande to løsninger. Hva vi velger av to stoffer, avhenger av den pH vi ønsker at bufferen skal ha. Hvis vi for eksempel skal lage en buffer med pH < 7, løser vi en svak syre og et lettløselig salt av denne syren i vann. Skal vi lage en buffer med pH > 7, løser vi en svak base og et lettløselig salt av denne basen i vann.

Dette viser vi på side 25–26. På side 27–28 viser vi hvordan vi lager en buffer ved å blande to løsninger.

Buffere kan kjøpes som ferdige løsninger, eller vi kan bruke ferdige pulverposer.

24 2 • Buffere

2.2 Buffer laget ved å løse to stoffer i vann Eddiksyre–acetat-buffer er en sur buffer Vi kan lage en buffer som har pH < 7 ved å løse omtrent like stoffmengder eddik­syre, CH3COOH, og natriumacetat, CH3COONa, i vann. Denne eddiksyre-acetat-bufferen har pH rundt 4,7. I bufferen er det to aktive komponenter – en sur og en basisk. Den sure komponenten i eddiksyre-acetat-bufferen er eddiksyre, CH3COOH. Den basiske komponenten er acetat, CH3COO–, og den kommer fra natriumacetat:

+ vann CH3COONa(s) ––––– CH3COO–(aq) + Na+(aq) De to bufferkomponentene, CH3COOH og CH3COO–, utgjør et syre-basepar. pH i løsningen i eddiksyre-acetat-bufferen er bestemt av likevekten CH3COOH(aq) + H2O(l)

syre

H3O+(aq) + CH3COO–(aq) base

Enten vi tilsetter små mengder av en sterk syre eller en sterk base til bufferen, blir ikke pH vesentlig forandret. Når vi tilsetter sterk syre, er det den basiske komponenten i bufferen som reagerer med tilsatt syre: H3O+(aq, syre tilsatt) + CH3COO–(aq)  CH3COOH(aq) + H2O(l) Når vi tilsetter en sterk base, er det den sure komponenten som reagerer med tilsatt base: OH–(aq, base tilsatt) + CH3COOH(aq)  CH3COO–(aq) + H2O(l) Enten vi tilsetter en sterk syre med H3O+-ioner eller en sterk base med OH–ioner, blir altså de tilførte ionene «fjernet» av en bufferkomponent i løsningen. pH forandrer seg derfor lite så lenge vi tilsetter små mengder av en sterk syre eller en sterk base.

Ammonium–ammoniakk-buffer er en basisk buffer Vi kan lage en buffer som har pH > 7 ved å løse omtrent like stoffmengder av basen ammoniakk, NH3, og et lettløselig salt av denne basen i vann. Saltet kan være ammoniumklorid, NH4Cl. Denne ammonium–ammoniakk-bufferen har pH rundt 9,3. Ammoniakk er den basiske komponenten. Den sure kom-

2 • Buffere

25