9789127433700

2

2

2

Lisa Kirsebom Insikt Naturkunskap är ett läromedel utarbetat i enlighet med Gy2011.

Boken har fokus på de områden där naturvetenskap och samhälle möts.

Vikten av naturvetenskap i vardagen visas på ett elevnära sätt med inspirerande bilder som väcker nyfikenhet.

Insikt Naturkunskap finns även tillgänglig som digital bok.

Läs mer om övriga komponenter i serien på www.nok.se/laromedel

ISBN 978-91-27-43370-0

9 789127 433700

9mmBreddNaturkunskapOMSLAG6aug13.indd 1

2013-08-06 11.21

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 3

2013-08-06 13.30

3

Hej! Läs det här.

När du är klar med den här boken är det meningen att du ska ha lärt dig en hel del. Men vi som har gjort den vill framför allt att du ska kunna två saker: söka ännu mer kunskap, och värdera den information du hittar.

I boken kommer du att lära dig om olika material och kemikalier, och hur produktionen och användningen påverkar natur och människor. Du ska få se hur grundämnen och kemiska föreningar är uppbyggda, och hur det påverkar deras egenskaper och reaktioner.

Du får läsa om hur man tror att universum bildades och hur grundämnen formas. Du kommer att bekanta dig med de vetenskapliga teorierna om hur liv uppstod på jorden och se hur evolutionen formade mängder av arter som är mycket olika – men som har en hel del gemensamt. Du ska också få läsa om hur människokroppen fungerar och hur ditt eget sätt att leva påverkar din hälsa.

Det som står i den här boken är riktigt och viktigt på många sätt. Men ny kunskap tillkommer hela tiden och ingen kan veta vad som kommer att vara viktigt om tio, tjugo eller fyrtio år. När forskning och teknikutveckling

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 3

ställer oss inför nya frågor, är det inte säkert att gamla fakta hjälper. Du behöver kunna tänka efter själv. Var kan jag söka information om det här? Vem kan jag lita på? Går det att se saken från ett annat håll? Kan den nya utvecklingen ställa till problem – eller kan den tvärtom lösa problem som vi kämpar med? Ämnet naturkunskap är inte bara fullt av fakta.

Det både kan och ska väcka frågor om vad som är sant och falskt, rätt och orätt, och om vem som har ansvar för utveckling, miljö och hälsa. Vi hoppas att du tänker mycket medan du läser, och att du efteråt fortsätter att fundera på frågor som dykt upp.

Naturkunskap är ett tvärvetenskapligt ämne med rötterna i biologi, fysik, geovetenskap och kemi. Det behandlar många områden som ligger i gränslandet mellan naturvetenskap och samhällsvetenskap. Med den här boken vill vi hjälpa dig att utforska det gränslandet. Vi vill att du ska se problem som vår moderna livsstil har skapat (ofta med hjälp av teknik och naturvetenskap), men också hur forskning och teknik kan hjälpa oss att lösa de problemen.

2013-08-06 13.30

4

Innehåll

Innehåll Våra material 9

Materiens inre 41

ÄMNEN I VARDAGEN 10

MATERIENS SMÅDELAR 42

Industriella processer 14

Periodiska systemet 42

I grunden naturvetenskap 15

Sorterade efter egenskaper 43 Valenselektronerna viktigast 43

ORGANISKA OCH OORGANISKA ÄMNEN 17 Organiska ämnen i samhället 17

PERIODISKA SYSTEMET 44

Polymerer 18 Plast – en viktig polymer 18 Organiska syror 21 Alkoholer 22 Estrar 23

Oorganiska ämnen i samhället 24 Salter 24 Metaller 25 Oorganiska syror 29

KRETSLOPP OCH RESURSER 31 Energi och energiformer 33 Dagens och morgondagens energikällor 33 Icke-förnybara energikällor 34 Förnybara energikällor 34 Miljövänlig och ofarlig energi? 35 Energisvinn 36 Utvecklingen av energikällor 37 Ny kärnkraft 37 Miljö, hälsa och ekonomi 37

Sammanfattning 38 Instuderingsuppgifter 39

KEMISKA FÖRENINGAR OCH REAKTIONER 46 Molekyler 46 Joner 46 Reaktivitet 46 Oxidation och reduktion 47 Syra-bas-reaktioner 49

MATERIENS FYSIK 50 Löslighet 50 Lika löser lika 51 Tvål korsar gränserna 52

Ledningsförmåga 53

ENERGI I BINDNINGARNA 55 MÄNNISKAN OCH MATERIEN 56 Från filosofi till experiment 56 Aristoteles teorier i 2000 år 57 Boyle trodde på atomerna 57

Stöd från matematiken 58 Strålning och guld ändrade bilden 58 En stor överraskning 59

Den klassiska fysiken räckte inte 59 Kvantfysik 60

VÄRLDEN NÄRA OSS – OCH LÅNGT BORTA 61 Sammanfattning 62 Instuderingsuppgifter 63

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 4

2013-08-06 13.30

Innehåll

Universum och materian 65

5

Liv, arv och evolution 89

DEN FÖRSTA MATERIAN 66

LIV PÅ JORDEN 90

Ett större och svalare universum 66

Jordskorpan 90

Stjärnor och galaxer 67

Vatten på jorden 90

Grundämnenas ursprung 67

Det första livet 90 Syrgasen ändrade förutsättningarna 90

KÄRNENERGI GER NYA ÄMNEN 68 Fusion 68

ARV OCH EGENSKAPER 92

Fission 69

Cellen 92

Radioaktivt sönderfall 70

Djurcellen 93

Alfastrålning 71

Växtcellen 94

Betastrålning 71

Bakteriecellen 94

Gammastrålning 72

DNA – mall för proteiner 95 Så är DNA uppbyggt 95

VÅRT SOLSYSTEM 74 Jordens uppkomst 75

CELLDELNING OCH MUTATIONER 97

Jordskorpan 75

Replikation, kopiering av DNA 97

Manteln 75

Mitos 98

Kärnan 76

Meios 98 Befruktning 99

MÄNNISKANS SYN PÅ UNIVERSUM 77 Alltings mittpunkt 77 Copernicus placerade solen i mitten 79

Celldelning hos prokaryoter 100 Inget enkelt samband 101

Kepler fann ellipserna 80

DET NATURLIGA URVALET 102

Galilei tog strid – och fängslades 81

Två sorters urval 102

Newton visade gravitationen 81 Paret Kirch och praktisk astronomi 81

Vi ser allt längre 82 Linsteleskop 82 Spegelteleskop 82 Från öga, till kamera, till dator 82

ATT STUDERA EVOLUTIONEN 103 Samma organ på olika vägar 103 Organsystemen anpassade efter miljön 104 Genetiken ger ny kunskap 106

Spektrat – grundämnenas fingeravtryck 83

Sammanfattning 86 Instuderingsuppgifter 87

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 5

2013-08-06 13.30

6

Innehåll

ARTER 108

DROGER 129

Arter försvinner 109

Alkohol 129

Ekosystem 110

Nikotin 130

Svårt att beräkna risken 110

Andra droger 131

EVOLUTIONEN SAKNAR RIKTNING 111

MAT OCH ÄMNESOMSÄTTNING 133

Sammanfattning 112

Näring från tunntarmen 133

Instuderingsuppgifter 113

Salt och vatten från tjocktarmen 136 Blodsocker i en frisk kropp 137 Diabetes 138

HJÄRTA OCH KÄRL 139

Kropp och hälsa 115

Blodomloppet 140

EVOLUTIONEN GAV OSS DEN HÄR KROPPEN 116

Hjärt-kärlsjukdom minskar – men en miljon är drabbade 142

En omodern kropp 116 Mat och rörelse 117 Andra miljöfaktorer 118

MÄNNISKOKROPPENS UPPBYGGNAD 120

Blodfetter 141

Proppar i systemet 142 Livsstilen spelar stor roll 143 Kost och medicin – heta frågor 144

SKELETTET 146

Kroppens vävnader 120 Celler och gener 121

NERVSYSTEMET 122 Hjärnan, ryggmärgen och perifera nervsystemet 122 Autonoma nervsystemet styr vi inte 124

SIGNALSUBSTANSER 126 Adrenalin och noradrenalin 127 Acetylkolin 127

MUSKLERNA 147 BINDVÄV, BROSK OCH FETT 149 Fettet har flera funktioner 149

LUNGORNA OCH LUFTVÄGARNA 150 Andningen 150 Hyperventilation 151

Dopamin 127 Endorfiner 128 Serotonin 128

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 6

2013-08-06 13.30

Innehåll

NJURARNA OCH URINVÄGARNA 152

7

GENETIK OCH HÄLSA 169 Stamceller 169

LYMFSYSTEMET 153 REPRODUKTIONSSYSTEMET 154 Könskörtlarna 155 Menstruationscykeln 156 Graviditet 157 Fostrets utveckling 157

Genterapi 170 Gentester 171

VEMS ANSVAR? 171 Sammanfattning 172 Instuderingsuppgifter 174

REGISTER 176

IMMUNFÖRSVAR 158 Hud, slemhinnor och kroppens kemikalier 158 Immunceller 158

IMMUNFÖRSVARETS REAKTIONER 160 Inflammation 160 Antikroppar 160 Vaccinationer 161 Risker och rykten 161 Verkliga biverkningar 162

NÄR KROPPEN GÖR FEL 163 Allergi 163 Snabb eller långsam reaktion 163

Autoimmunitet 164

INFEKTIONER 165 Alla blir infekterade ibland 165 Antibiotika snart overksam 165

Världens största infektionssjukdomar 166 Tuberkulos och HIV 166

Könssjukdomar är också infektioner 168

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 7

2013-08-06 13.30

8

V책ra material

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 8

2013-08-06 13.30

Våra material

9

Våra material

E

n gång i tiden levde vi människor av växter som vi odlade själva eller plockade i naturen, och av de djur som vi jagade eller födde upp. De föremål vi behövde skapades av material vi hade omkring oss, främst trä, sten och växtfibrer, djurhudar, päls och senor. Det var tidskrävande och slitsamt att tillverka föremål, så vi ägde inte så många.

I dag ser situationen helt annorlunda ut, framför allt i den mest utvecklade delen av världen. Mat och material produceras oftast långt ifrån användaren och transporteras därför långt. Dessutom kommer materialen sällan direkt från naturen. Största delen av det vi använder – syntetkläder, läkemedel, skumgummikuddar, förpackningar, printer-bläck, cement och mycket mer – tillverkas industriellt av ämnen som vi utvinner eller producerar och sedan bearbetar i många led.

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 9

Man kan fundera över vilka produkter som är ren lyx och vilka vi verkligen behöver. Men det är helt klart att om vi rensade bort allihop skulle vi leva lika slitsamma och korta liv som vi gjorde för några tusen år sedan. Utvecklingen av olika industriella processer har på många sätt gjort oss friskare och livet mycket mer bekvämt.

Men tillverkningen kräver också energi och råvaror.

Tyvärr används och utvinns bådadera ofta på ett sätt som inte är långsiktigt hållbart. Det här kapitlet handlar om några av de ämnen och processer som är viktigast för oss. Det handlar också om risker och problem med dagens produktionssätt och materialanvändning, och om tänkbara lösningar i framtiden.

2013-08-06 13.31

10

Våra material

ÄMNEN I VARDAGEN Det är en helt vanlig dag. Du vaknar i din säng, kanske av att väckarklockan eller mobilen ringer. Du duschar, tvättar håret, hänger upp handduken. Klär dig, äter frukost, tar väskan och går ut genom dörren.

Dagen har bara börjat men du har redan varit i kontakt med hundratals olika material. Sängen, lakanen, telefonen, golvbeläggningen, schampot, duschkaklet, handduken, kroken, kläderna, mjölkpaketet, brödet, kaffekoppen, kylskåpet, tandborsten, dörrnyckeln…

Allt har tillverkats någonstans, av någon och av något.

De flesta av varorna omkring dig innehåller många

olika ämnen och har under tillverkningen kommit i kontakt med ännu fler.

Vi använder både mer och fler material än någonsin förr i historien. En stor del av dem utvinner vi från naturen. Vi bryter till exempel metaller och tar upp gas och olja ur marken. Men vi producerar också stora mängder nya ämnen som ingår i allt från livsmedel till elektronik. I dag räknar EU:s kemikaliemyndighet med att vi använder omkring 100 000 kemiska ämnen. En mycket stor del av dem har börjat tillverkas de senaste hundra åren.

De flesta av oss tänker inte på det, men varje dag kommer vi i kontakt med en enorm mängd olika material som har tillverkats av och med kemiska ämnen.

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 10

2013-08-06 13.31

Våra material

11

På nästa uppslag ser du några exempel på kemikalier som produceras i industrin. Bilden visar vad de tillverkas av och vad de används till.

Som du ser kommer väldigt många material ursprungligen från ett fåtal ämnen i naturen, främst olja och naturgas. Olja och gas är råvaror för en mängd kemikalier som blir allt från bilklädslar till läkemedel.

Både när vi använder och när vi kasserar produkter kommer kemiska ämnen ut i miljön.

Det sker också under utvinning och produktion.

Allt som kommer ut blir del av naturens kretslopp. En del ämnen bryts ner, antingen till något ofarligt eller till något ohälsosamt. Vissa ämnen binds till andra i nya kemiska föreningar. En del ämnen fortsätter att cirkulera i sin ursprungsform länge.

I decennier har vi vetat att våra utsläpp kan skada naturen. I dag har vi också börjat förstå att även små mängder av ämnen som vi sett som ofarliga kan vara skadliga, när de lagras i naturen eller i våra kroppar, och när de kombineras med varandra. Att kombinationer kan påverka mer än varje ämne för sig kallas för cocktaileffekten.

Vi behöver alltså ha bättre kontroll på vad vi använder och vad vi släpper ut. Men när man ibland hör människor tala om att leva ”kemikaliefritt” kan det vara bra att fundera över hur Har du hört realistiskt det är egentligen. talas om några kemikalier i Om vi tog bort alla kemikavardagen som visat lier ur vår vardag skulle det sig vara skadliga?

Oroar det dig? inte bli mycket kvar av det samhälle vi har.

?

Alla ämnen vi släpper ut när vi tillverkar, använder och kasserar material, blir del av naturens kretslopp. Vi måste bli bättre på att kontrollera vad som skadar och vad som är ofarligt.

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 11

2013-08-06 13.31

åvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara ra råvara råva råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råva a råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råv vara råvara 12 råvara råvara Våra materialråvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara vara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara Av råvara ett fåtal råvaror i naturen, och råvara olja, tillverkar material till råvara mängder av olika varor.

På det här råvara råvara råvara råvara råva a råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvarafrämst råvara gas råvara råvara vi råvara råvara råvara råvara råvara råvara uppslaget serråvara du några exempel. förädlas ochråvara bearbetas i många vi har inte tagit med alla här. vara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvaraRåvarorna råvara råvara råvara råvara råvaraled, råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara a råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råv vara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara NATURGAS OCH SVAVELDIOXID NATURGAS a råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råv SYRGAS/KVÄVGAS a råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råv a råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råva ng förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling fö förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädl SVAVELSYRA AMMONIAK ETAN, ETEN ling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling f g förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förä förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädl ädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling ling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling f S Uförädling L FAT E förädling R M O N Iförädling U M N I Tförädling R AT RY L F Iförädling B R E R förädling förädling förädling föräd förädling förädling förädling förädling förädlingA M förädling förädling förädlingA K förädling ling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling f

vattenrening, glastillverkning, tvättmedel

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 12

konstgödning, sprängämne, köldmedel

trikåtyg, möbelklädslar, markisväv

2013-08-06 13.31

råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvar a råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råva a råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råv åvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara Våra råvara råvara13råvara råvara material åvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara a råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råv åvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara ra råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råv åvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara RÅOLJA ra råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råv ra råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råv a råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råvara råv förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förä rädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling TOLUEN XYLEN BENSEN g förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling för förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädrädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling dling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling g förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling för O LY U Rförädling E TA N förädling förädlingP O LY E S Tförädling ERFIBR ER P O LYS Tförädling Y R E N förädling C Yförädling K LO H Eförädling X A N förädling förädlin örädling förädling förädling P förädling förädling förädling förädling förädling g förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling förädling för

cellplast, cellgummi, textilbehandling

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 13

PET-flaskor, mjukningsmedel, glasfiberarmerad plast, kläder, möbelklädslar

dammsugare, kylskåpsinredning, cellplast, isolering under vägar

A D I P I N SY R A

N Y LO N

2013-08-06 13.31

14

Våra material

Hydrogenering Vid slutet av 1800-talet experimenterade den amerikanske kemisten James Boyce med olika sätt att utvinna olja ur bomullsfrön. En av de processer han utvecklade kallas hydrogenering.

Metoden förbättrades av den franske kemisten Paul Sabatier.

Han fick del av nobelpriset i kemi år 1912, eftersom processen blev så viktig för kemin och industrin.

Vid hydrogenering reagerar kvävgas med något ämne som på så vis får en ny form med annorlunda bindningar. I livsmedelsindustrin används hydrogenering för att omvandla växtoljor till fasta eller halvflytande fetter (omättade fetter blir då mättade, se vidare s. 145). Med hydrogenering kan man också omvandla kolväten (se s. 17), exempelvis för att tillverka alkoholer, eller för att av bensen producera cyklohexan, se grafiken på förra sidan. Hydrogenering sker inte spontant. För att reaktionen ska inträffa krävs katalysatorer. Så kallas ämnen som deltar i en reaktion och gör den mer effektiv utan att själva förbrukas.

Oxidation och reduktion Oxidation är en kemisk reaktion där ett ämne avger en eller flera elektroner. Reduktion är motsatsen: en reaktion där ett ämne upptar elektroner. Reaktionerna sker alltid samtidigt och är mycket vanliga i naturen, men de används också i industrin.

Ett exempel från grafiken på förra sidan är att cyklohexan oxideras till adipinsyra.

Industriella processer Den som vid mitten av 1800-talet ville konstruera något hade inte så många material att välja bland. Hon eller han fick anpassa sin konstruktion efter hållbarhet och formbarhet hos till exempel trä, glas, lera och naturliga metaller.

Materialens egenskaper satte gränserna.

I dag är situationen helt annorlunda.

Vi har under drygt hundra år utvecklat mängder av nya material – olika typer av plaster, lacker, legeringar av metaller och mycket mer. Utvecklingen fortsätter dessutom i snabb takt. Redan nu kan vi tillverka material som är starkare och lättare än något som finns i naturen, och material som är mer effektiva elektriska ledare eller bättre isolatorer.

Materialutvecklingen bygger på en mängd industriella processer. Många har utvecklats de senaste decennierna, andra förekommer både naturligt och i industrin. I rutorna intill ser du några exempel på sådana processer.

Polymerisation En polymer är en lång, kedjeformad molekyl. Både naturliga och syntetiska polymerer är vanliga och viktiga inom många områden. Redan vid mitten av 1800-talet producerades de första syntetiska polymererna, men det var först på 1920-talet som man förstod deras struktur. Då visade den tyske kemisten Hermann Staudinger att de var kedjeformade, en upptäckt han fick nobelpris för år 1953. Från 1930-talet ökade tillverkningen av nya syntetiska polymerer snabbt.

Det finns flera industriella metoder för att åstadkomma polymerisationsreaktioner. Vid stegvis polymerisation fogas molekyler först samman till korta kedjor som sedan kombineras till längre. Så tillverkas bland annat nylon av adipinsyra. Vid additionspolymerisation byggs långa kedjor direkt, genom att en molekyl i taget fäster vid änden av en allt längre kedja. Så tillverkas många viktiga plaster, till exempel PVC. Genom hydrogenering kan växtoljor, till exempel från raps, omvandlas från flytande form till fast eller halvflytande.

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 14

2013-08-06 13.31

Våra material

15

I grunden naturvetenskap Utvecklingen av nya material och processer bygger på en ständigt växande kunskap om naturvetenskapliga fenomen. När vi utforskar kemin, fysiken och biologin öppnar sig nya möjligheter. Det finns flera konkreta exempel på det.

Strukturkemi är den del av kemin där man undersöker vilken form molekyler och andra kemiska strukturer har.

Man ser till exempel hur atomerna sitter i förhållande till varandra inom en molekyl och vilken effekt det har på hur ämnet reagerar. Från mitten av 1800-talet utvecklades strukturkemin starkt och det blev bland annat möjligt att analysera läkemedelssubstanser som utvunnits ur växt- och djurriket. När forskarna väl kände till ämnenas struktur blev nästa steg att konstruera dem i laboratorium. I dag är Känner du till några läkemedel största delen av våra läkemedel som ursprungligen syntetiska, alltså konstgjorda, kom från naturen, men många av dem är fortfarande men som nu tillverkas i kopior av naturliga ämnen. laboratorium?

Framväxten av mikrobiologin är ett annat exempel på hur naturvetenskapen la grunden för nya processer. Redan för över 2000 år sedan föreslog den romerske filosofen Lucretius att sjukdomar kunde orsakas av osynliga organismer. På 1600-talet lyckades den holländske naturforskaren Antonie van Leeuwenhoek tillverka mikroskop som var starka nog för att en del mikroorganismer Antonie van Leeuwenhoek skulle bli synliga.

1632–1723 Han började då argumentera mot uralstringsteorin som vid den tiden var allmänt accepterad. Den innebar att man trodde att liv kunde uppstå spontant, bland annat i ruttnande substanser, smuts och slam.

Trots Leeuwenhoeks mikroskop levde uralstrings-teorin kvar till 1800-talet då den motbevisades av den franske forskaren Louis Pasteur.

Pasteur visade att om man upphettar ett livsmedel tillräckligt mycket så uppstår ingen tillväxt av jäst eller bakterier. Det bevisade att mikroorganisLouis Pasteur merna faktiskt fanns i maten från början, 1822–1895 men i så liten mängd att de var omärkbara.

Pasteur gav namn åt pastöriseringen, den uppvärmningsprocess som fortfarande används vid tillverkning av

?

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 15

Optiska fiberkablar kan bland annat användas för att överföra ljus eller bilder.

bland annat mjölk och ost. Kunskap om mikroorganismer har varit avgörande både för utvecklingen av konserveringstekniker i livsmedelsindustrin och för behandlingen av många sjukdomar.

Fiberoptik är ytterligare ett område som visar hur naturvetenskap lagt grunden för teknisk utveckling.

Ljus leds inuti en tunn fiber av ett genomskinligt material, och rör sig framåt genom att gång på gång reflekteras mot ytan. Tekniken kan användas för belysning,

2013-08-06 13.31

16

Våra material

bildöverföring eller för informationsöverföring över mycket långa sträckor.

Utvecklingen av internet bygger på fiberoptik.

Fiberoptik bygger på insikten att ljus som träffar en transparent yta i precis rätt vinkel reflekteras fullständigt (vinkeln beror på vilka material som möts vid ytan).

Fram till 1970-talet gick mycket av ljuset förlorat på vägen genom de fiberoptiska kablarna. Forskare och ingenjörer trodde att det berodde på fysikaliska spridningsfenomen som inte gick att åtgärda. Den kinesiske fysikern Charles Kuen Charles Kuen Kao, Kao och den brittiske ingenjören född 1933 George Alfred Hockham visade att förlusterna i själva verket till George Alfred Hockham, stor del berodde på orenheter född 1942 i glaset. Förlusterna minskade enormt om man använde så kallade ultrarena fibrer tillverkade av kiselglas. Kao fick del av nobelpriset i fysik år 2009 för den upptäckten, som tog fiberoptiken ett stort steg framåt.

När ljus träffar gränsytan mellan två transparenta medier bryts det. En del av ljuset reflekteras, en del tränger igenom. Om ljuset går från ett optiskt tätare material till ett tunnare, exempelvis från vatten till luft, kommer det vid en viss vinkel att totalreflekteras.

Därför ser vi sköldpaddan speglas i vattenytan. Optiska fibrer bygger på principen om totalreflektion.

Inuti en fiberoptisk kabel rör sig ljuset framåt genom att gång på gång reflekteras mot kabelns yta.

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 16

2013-08-06 13.31

Våra material

17

ORGANISKA OCH OORGANISKA ÄMNEN Du ska nu få titta närmare på några viktiga grupper av ämnen som används i industrin och som bygger många av de material vi ser i vardagen.

Kemiska ämnen delas ofta in i två grupper: organiska och oorganiska ämnen. Länge trodde naturvetare att allt i den levande, organiska, naturen innehöll en särskild livskraft. De organiska ämnena ingick i djur- och växtriket, medan de oorganiska byggde upp mineralriket. År 1828 lyckades den tyske kemisten Friedrich Wöhler att av oorganiska ämnen syntetisera Friedrich en organisk förening – urea, som finns naturWöhler ligt i urinen hos alla däggdjur. Det bevisade 1800–1882 att det inte fanns någon magisk livskraft.

Trots att tanken om livskraften var fel, visade det sig med tiden att det var praktiskt Urea: att fortsätta dela upp de kemiska ämnena NH2CONH2 i organiska och oorganiska av systematiska skäl. Med organiska föreningar menar vi i dag kolföreningar, medan de flesta oorganiska föreningar inte innehåller kol. År 2010 var omkring 55 miljoner kemiska ämnen kända. De flesta är organiska, bara omkring 1 miljon är oorganiska.

Organiska ämnen i samhället Förutom kol och väte är det vanligt att organiska föreningar innehåller syre, kväve, svavel, halogener och fosfor. Vi ska titta närmare på några av de vanligaste grupperna av organiska ämnen, hur de används och hur de tillverkas eller utvinns.

Kolväten Det finns många typer av kolväten. Eftersom de är mycket energirika och lätt brinner i luft används de ofta som bränsle. Naturgas består till största delen av kolväten. Ur råolja utvinns många olika kolväten med en stor mängd användningsområden. Kolväten ingår bland annat i många lösningsmedel och används vid tillverkning av plast, färg och läkemedel.

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 17

Vissa kolväten är gasformiga vid rumstemperatur, andra är flytande eller fasta. Asfalt, också kallat naturasfalt eller jordbeck, och vaxtypen paraffin är två exempel på fasta ämnen som huvudsakligen består av kolväten.

ASFALT Naturasfalt är ett brunsvart ämne som är segt och lite flytande när det är varmt, men sprött när det svalnat.

Den asfalt som vi lägger på vägarna är tillverkad av en blandning av sten och ett kolväterikt ämne kallat bitumen. Bitumen utvinns ur olja.

I kolväten ingår bara kol och väte. Att egenskaperna mellan olika ämnen ändå kan skilja så mycket beror på deras form. Kolatomerna i kolväten kan sitta samman i kedjor av olika längd, med eller utan förgreningar, eller i ringar. etyn

metan eten

cyklopentan isobutan

Kolvätenas olika egenskaper beror på hur kolatomerna i molekylerna sitter samman med varandra, med enkel-, dubbel- eller trippelbindningar, i ringar, osv.

2013-08-06 13.31

18

Våra material

Polymerer Plaster, syntetfibrer, lim, målarfärger och lacker är några produkter som bygger på polymerer. En polymer är en lång, kedjeformig molekyl. Det är just den formen som gör att plaster kan vara både styva, sega och hållbara. Ordet plast kommer från det latinska plasticus, som betyder formbar.

I naturen finns många polymerer, som proteiner, nukleinsyror (DNA och RNA) och naturgummi. Men de polymerer vi använder i vardagen är nästan alltid syntetiska. Polymerer finns även bland de oorganiska ämnena men är vanligast bland de organiska. Så kallade silikonplaster tillverkas av kisel, men i övrigt tillverkas syntetiska polymerer av kolföreningar. Det gäller både för plaster och för syntetgummi. Kolkedjorna kan brytas av värme och ultraviolett ljus. Det är därför många plast- och gummimaterial kan bli stela, spruckna och missfärgade med tiden.

Plast – en viktig polymer Plasten fick sitt genombrott vid mitten av 1900-talet och har sedan dess blivit ett av våra absolut vanligaste material. I dag använder vi i Sverige ungefär 100 kilo plast per person varje år. Mer än 90 procent av den plast

vi förbrukar återvinns. Antingen återanvänds materialet eller så bränns det i kraftvärmeverk, så att energin i plasten kan utnyttjas för värme- eller elproduktion.

Det kallas för energiåtervinning.

Plaster brukar delas in i härdplaster och termoplaster.

I härdplaster går molekylerna sönder vid uppvärmning, så materialet kan inte smältas ner och återvinnas.

Härdplaster används bland annat i stickproppar och väggurtag, och i inredningslaminat – det som brukar kallas perstorpsplattor. Dessutom används härdplaster i glasfiberarmerad plast vid tillverkning av båtar, bilar och flygplan. Utslitna härdplastprodukter återanvänds ibland genom att de mals ner och används som fyllmaterial.

Termoplaster är vanligare än härdplasFörkortningen ter. De mjuknar när man värmer upp PET står för polyetylentereftalat, dem, kan omformas och ofta återvinPVC för nas. Två exempel är PET, som används polyvinylklorid. i bland annat läskflaskor, och PVC, som förekommer i stuprännor, bilklädslar, skosulor och på många andra ställen.

Innehållet i PVC-plast har förändrats i Sverige på senare år, sedan man insett att flera av de ämnen som ingick i plasten kan frigöras och skada människor eller miljö. Ett exempel är skadliga tungmetaller som bly och kadmium. Även om Sverige fasat ut många av de farliga ämnena kan de fortfarande förekomma i importerade produkter. Dessutom finns mycket gammal PVC kvar, exempelvis i golvmattor och väggskikt.

Tillverkning

Plast är ett av världens vanligaste material och har en mängd användningsområden.

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 18

Råolja och naturgas är de vanligaste råvarorna vid plasttillverkning. Omkring 8 procent av världsproduktionen av olja och gas går till plast, hälften som råvara och hälften till den energi som krävs vid tillverkningen. Ungefär hälften av alla plastprodukter är engångsmaterial, alltifrån plastpåsar och förpackningar till leksakspärlor och engångsbestick.

Det första steget i tillverkningen är att producera monomerer, små molekyler som blir ”länkarna” i kedjan. Det görs oftast genom krackning, en process där molekylerna i råolja sönderdelas genom uppvärmning

2013-08-06 13.31

Våra material

19

I elektronik kan andelen tillsatsämnen vara hög, medan den ofta är låg i matförpackningar.

till omkring 450 grader tillsammans med en katalysator, ett ämne som gör processen mer effektiv utan att själv förbrukas. Genom att därefter utsätta monomererna för hög temperatur, högt tryck och katalyserande ämnen får man dem att länkas samman till längre kedjor.

Reaktionen kallas polymerisation (se s. 14) och ger vad som kallas en basplast.

Till basplasten tillsätts ofta ämnen som flamskyddsmedel, mjukgörare, fyllmedel (som gör plasten billigare) och färger. Det är vanligt att ungefär en femtedel av en plastprodukt utgörs av tillsatsämnen, men de kan utgöra så mycket som hälften, eller saknas helt. Det senare gäller bland annat en del matförpackningar.

Plasten – skurk eller hjälte?

Plast används i mycket stora mängder jorden runt. Varje år tillverkas omkring 250 miljoner ton plast i världen.

Eftersom produktionen är så stor riskerar även små problem att bli väldigt betydelsefulla, oavsett om de uppstår vid tillverkning, användning eller kassering av plasten.

Plasttillverkning kräver energi, liksom alla industriella processer. Den dominerande råvaran är olja, en icke-förnybar resurs som vi riskerar att få brist på i en ganska nära framtid (se s. 45). En del av de ämnen som används vid plasttillverkning är hälsofarliga. Ett exempel är kolvätet styren som är råvara för vissa vanliga plastsorter (se s. 13). Styren kan ge nervskador vid inandning och en del forskStyren: ningsresultat tyder på att det också kan C6H5CHCH2 vara cancerframkallande. Ämnet har varit

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 19

ett stort arbetsmiljöproblem och reglerna för användning har skärpts med åren. Även de katalysatorer som används vid polymerisationen kan ge problem. De är konstruerade för att vara reaktiva, vilket gör att de i allmänhet är hälsofarliga och i flera fall även miljöfarliga. De kan vara giftiga, irriterande för hud och andningsorgan och frätande om man får dem i ögonen. Flera katalysatorer innehåller tungmetaller som bly och kvicksilver.

Kemiskt sett är plastmaterial i allmänhet ofarliga, de är alltså inte giftiga för människor eller miljö. Men tillsatsämnena i plasten kan vara det. Ett exempel är ftalater, som har använts mycket som mjukgörare.

De misstänks framkalla astma och allergier, och eventuellt kunna störa hormonbalansen i kroppen. Därför får vissa ftalater enligt svenska regler inte förekomma i bland annat leksaker.

När plast bränns måste rökgaserna renas noga. Det fungerar bra i moderna förbränningsanläggningar, men sådana finns inte överallt i världen. Om Saltsyra: reningen inte är tillräcklig kan miljöfarliga HCl2 ämnen läcka ut. Vissa plastsorter ger ökade utsläpp av kväveoxider, till exempel kväveinnehållande uretanplast som bland Kväveoxider annat används för elektrisk isolering. som grupp PVC innehåller klor och kan därför brukar skrivas NOx. ge utsläpp av saltsyra. Både kväveoxider och saltsyra leder till försurning av miljön.

Ett annat stort miljöproblem är att de flesta plastmaterial bryts ner mycket långsamt, under hundratals år.

2013-08-06 13.31

20

Våra material

Det ser vi konsekvenserna av nu. Stora mängder plastskräp förorenar haven och djur dör i drivande nät eller sväljer plastbitar vilket kan leda till sjukdom och död.

Men forskare har börjat misstänka att även mycket små plastpartiklar kan ge problem. Sådana kan komma från kasserade plastföremål, från tvätt av syntetkläder eller från plastproduktion. Det är oklart vilken betydelse de här så kallade mikropartiklarna kan ha. Forskning pågår för att undersöka om de stör växt- och djurlivet i vattnen, eller utsöndrar kemiska ämnen som kan bli ett problem långt upp i näringskedjan.

Plast – en nödvändighet

Är plast alltså en miljöförstörare som det hade varit bättre att vara utan? Nej, så enkelt är det inte heller. Plasten har varit enormt viktig för att ge oss människor bättre hälsa och ökad livslängd. Engångsmaterial gör vården och livsmedelsindustrin mer hygienisk. En stor del av den medicinteknik vi använder, exempelvis olika typer av implantat, injektionsutrustning och förband, bygger på plast.

Med den befolkningsmängd vi har i världen i dag och våra behov av mat, tyger och andra material, är plasten också på flera sätt en tillgång för miljön. Förr tillverkade vi förpackningar i glas, trä och kartong. Allt krävde naturresurser, och förpackningarna blev ofta mindre hållbara, tyngre och större än de vi har i dag (jämför till exempel glasflaskor med PET-flaskor).

Om vi fortfarande enbart hade haft de gamla förpackningsmaterialen skulle det betyda fler och tyngre transporter, som sliter hårt på miljön och leder till klimatförändringar. Väl fungerande matförpackningar minskar dessutom svinnet av mat, vilket är en stor miljöfördel.

Plast kan användas som isoleringsmaterial. Om isoleringen av en byggnad är dålig eller saknas helt går det åt mycket mer energi för uppvärmningen. En bra plastisolering kan spara mer energi än det gick åt för att utvinna råvaran och tillverka plasten.

Innan vi hade kläder i syntetmaterial tillverkade vi plagg i bomull, lin, skinn och ull. Det kräver odlingar och djuruppfödning, inte alls oproblematiskt ur miljöhänseende. Dagens bomullsodlingar är ofta hårt besprutade och kräver stora mängder sötvatten, i områden där vatten många gånger är en bristvara.

Plastens framtid

I den rikare delen av världen behöver vi minska vår konsumtion, inte minst av plast. Men vi kan knappast klara oss utan plasten. Därför måste vi hitta sätt att tillverka den och använda den som gör riskerna och problemen så små som möjligt. Det handlar om att använda förnybara råvaror och energikällor istället för fossil olja, att minska eller få bort användningen av giftiga kemikalier, att minimera spill och nedskräpning och att återvinna materialet så långt det är möjligt.

Nedskräpning är bara ett av de många miljö- och hälsoproblem som blivit effekten av att vi använder så stora mängder plast. Samtidigt har plast många fördelar, både för oss och miljön.

Därför behöver vi finna hållbara sätt att tillverka, använda och kassera den.

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 20

2013-08-06 13.31

inlayNaturkunskap2_6aug13.indd 21

2013-08-06 13.31

2

2

2

Lisa Kirsebom Insikt Naturkunskap är ett läromedel utarbetat i enlighet med Gy2011.

Boken har fokus på de områden där naturvetenskap och samhälle möts.

Vikten av naturvetenskap i vardagen visas på ett elevnära sätt med inspirerande bilder som väcker nyfikenhet.

Insikt Naturkunskap finns även tillgänglig som digital bok.

Läs mer om övriga komponenter i serien på www.nok.se/laromedel

ISBN 978-91-27-43370-0

9 789127 433700

9mmBreddNaturkunskapOMSLAG6aug13.indd 1

2013-08-06 11.21