frank grön Naturkunskap 2
Elin Johansson
Birgitta Landgren
Anders Nystrand
Cecilia Nystrand
Naturkunskap nivå 2
Elin Johansson
Birgitta Landgren
Anders Nystrand
Cecilia Nystrand
Liber
Förord
Välkommen till Frank Grön Naturkunskap nivå 2!
I den fjärde upplagan av Frank Grön Naturkunskap nivå 2 möter du det centrala innehållet i Gy25 med uppdaterat innehåll och nya kapitel.
Frank Grön är indelad i tre block baserade på huvudområdena i ämnesplanen:
• Natur och hållbar utveckling
• Evolution, cellbiologi och bioteknik
• Människokroppen och hälsa
Varje kapitel består av avsnitt med en enhetlig struktur för att underlätta lärandet:
• Inledning: Varje kapitel börjar med en kort introduktion följt av kunskapsmål och centrala begrepp, markerade med fet stil där de först tas upp i kapitlen.
• Avsnitt med kunskapskontroll: Varje avsnitt avslutas med en “Testa dina kunskaper”-sektion som erbjuder träning på begreppen och frågor på en grundläggande nivå.
• Mera om-rutor: Dessa korta fördjupningar finns i några kapitel för den som vill läsa mer och utforska ämnet ytterligare.
Dessutom innehåller varje kapitel Perspektiv som fördjupar och breddar ämnesområdena med syfte att stimulera diskussion och personlig reflektion.
Här får du också träna på att använda naturvetenskap i din kommunikation.
Varje kapitel avslutas med en sammanfattning i både text och en tankekarta som hjälper dig att koppla ihop begrepp och metoder. Sist i kapitlet finns uppgifter som hjälper dig att befästa kunskaperna.
Vi önskar dig en god läsning och lycka till med naturkunskapen!
Författarna Elin Johansson (kap 1–4 och 11), Birgitta Landgren (kap 5), Cecilia Nystrand (kap 6 och 10) och Anders Nystrand (kap 7–9) 2026
Innehåll
Block 1
Natur och hållbar utveckling 7
1 Universum och materia .
1.1 Sex planeter blir tusentals. . .
1.2 Från Big bang till vårt solsystem. .
1.3 Det kosmiska kretsloppet
.8
.9
.12
.16
perspektiv: Att navigera efter stjärnor. 20
1.4 Materian organiseras
Sammanfattning
Uppgifter. .
2 Kretslopp i naturen
2.1 Atomer byter plats i kretsloppen
2.2 Det geologiska kretsloppet
2.3 Viktiga mineralämnen i kretslopp
2.4 Det användbara kvävet.
2.5 Gödning och övergödning
.21
.26
.27
.28
.29
.34
.38
.43
.46
perspektiv: Hållbarare konstgödsel . . . .49
Sammanfattning
Uppgifter. .
.50
.51
3 De viktiga metallerna
3.1 Metallernas egenskaper . .
3.2 Metaller och den ökade efterfrågan. . .
.52
.53
.59 perspektiv: Konfliktmetaller
3.3 De sällsynta jordartsmetallerna . . .
3.4 Återvinning av metaller
Sammanfattning
.64
.65
.69
.74 Uppgifter. .
4 Allt är kemi
4.1 Organisk eller oorganisk
4.2 Vatten – en speciell molekyl .
4.3 Syror och baser
4.4 Några organiska ämnesgrupper
.77
80
.83
.87 perspektiv: Metallorganiska ämnen. . . .94
4.5 Biokemi – organiska ämnen i kroppen. . . .95
Sammanfattning
Uppgifter.
.101
.102
Evolution
5.1 Tecken på evolution
perspektiv: Elefanten som älskar vatten.
5.2 Evolutionens mekanismer.
5.3 Livets ursprung
5.4 Människans evolution
Sammanfattning .
Uppgifter.
3
7 Nervsystemet styr hela kroppen
.104
.105
.120
.123
6 Cellen, DNA och genteknik . . . .134
6.1 Cellen är livets minsta beståndsdel . . . . . 135
6.2 DNA, celldelning och mutationer. .
6.3 Gentekniska metoder och etiska aspekter. .
. 141
.149
6.4 Bioteknik inom livsmedelsproduktion . .156
perspektiv: Stamcellstransplantation .160
Sammanfattning . .
Uppgifter.
161
.164
7.1 Nervimpulser är nervsystemets språk. . .165
7.2 Nervsystemets olika delar
7.3 Vår automatiska och ”opålitliga” hjärna. .
perspektiv: Vår hjärna blir smartare av träning .
7.4 Sjukdomar i nervsystemet.
Sammanfattning .
Uppgifter.
.168
.177
181
.182
.190
191
8 Sinnesorganen och hormonsystemet
8.1 Våra sinnesorgan. .
perspektiv: Synsinnet hos andra djur – olika sorts ögon
8.2 Sjukdomar i sinnesorganen.
8.3 Hormonsystemet och endokrina organ
8.4 Sjukdomar i hormonsystemet.
Sammanfattning
Uppgifter.
.193
.197
202
207
.213
.218
.219
9 Kroppens effektiva immunförsvar .
. 220
9.1 Vårt yttre och inre försvarssystem. . . . . .221
9.2 Immunitet och vaccinationer .
9.3 Allergier och autoimmuna sjukdomar.
9.4 Blodgrupper och transplantationsantigener.
. .229
.238
11 Psykisk och fysisk hälsa – olika perspektiv på välmående .
11.1 Otydlig gräns mellan fysiskt och psykiskt . .
11.2 Hälsan över tid. .
11.3 Påståenden om hälsa
11.4 Vi kan påverka vår hälsa.
.245
.241 perspektiv: Nobelpris 2025 för immunreglerande celler.
Sammanfattning .
Uppgifter.
10 Läkemedel och behandlingsmetoder
10.1 Medicinska undersökningsmetoder. . .
10.2 Så utvecklas nya läkemedel
10.3 Precisionsmedicin – individuellt anpassad behandling.
perspektiv: Reservdelsmänniskan – alltmer avancerade proteser.
Sammanfattning
Uppgifter.
.246
.247
.248
.249
.257
266
.274
.276
.277
.293
perspektiv: Sömn – inte bara återhämtning
Sammanfattning
Uppgifter.
Register.
Bildförteckning
Block 1
Natur och hållbar utveckling
Detta block handlar om materiens byggstenar, egenskaper och kretslopp.
Du får följa materiens historia från universums uppkomst och stjärnornas kosmiska processer, där nya ämnen bildas och sprids i rymden.
Du får också läsa om hur vi har organiserat materien i olika grundämnen.
Många av dessa är livsviktiga byggstenar i växter och djur och ingår i kretslopp som rör sig mellan berggrund, luft, vatten och levande organismer.
Detta behandlas i kapitel 2.
I kapitel 3 ligger fokus på metaller, som utgör majoriteten av grundämnena. Här beskrivs deras egenskaper och hur vi människor använder dem i olika sammanhang.
Blocket avslutas med en genomgång av oorganiska och organiska ämnen – från den lilla vattenmolekylen till stora biomolekyler som bygger upp våra kroppar, såsom proteiner, fetter, kolhydrater och nukleinsyror.
När den lilla plantan växer tar den upp kemiska ämnen från luft och mark. Ämnena består av atomer som rör sig i ständiga kretslopp.
CENTRALT INNEHÅLL I BLOCK 1
• Materians uppkomst och kretslopp. Organiska och oorganiska ämnen i naturen och industrin samt hur de används och påverkar miljön.
• Naturvetenskap bakom historiska och aktuella händelser i omvärlden samt naturvetenskapens betydelse för individ och samhälle.
1 Universum och materia
Detta kapitel kommer att handla om det stora och det lilla, universum och materia, och sambandet där emellan. Materia är allt som har en vikt – från minsta partikel, som elektroner och protoner, via grundämnen till stora objekt, som stjärnor och planeter.
När du har läst kapitlet ska du ha kunskap om …
• hur metoden för att studera och få kunskap om rymden och universum förändrats
• universums expansion från Big bang till i dag
Kapitlet börjar med att fokusera på hur vår samlade kunskap om planeter har förändrats de senaste 300 åren. Exemplet visar på naturvetenskapens beroende av teknik och matematik för att nå stora upptäckter. Det visar samtidigt att ju mer kunskap vi får om rymden, desto mer inser vi att det finns mycket mer att upptäcka.
• hur stjärnor och planeter bildas
• det kosmiska kretsloppet av materia
• hur grundämnen bildas i stjärnors slutfas
• hur grundämnen sprids ut i universum i supernovaexplosioner
• grundämnenas indelning i det periodiska systemet.
Universum är oerhört gammalt – ungefär 13,8 miljarder år. Hur allt började vet forskarna ännu inte exakt. Men de har kunnat ta reda på en hel del om vad som hände efter starten, det som kallas Big bang och den stora expansionen.
Centrala begrepp
• atomnummer
• exoplanet
• röd jätte
• rödförskjutning
• fusionsreaktion
• kemiska tecken
• spektrum
• supernovaexplosion
I det här kapitlet utforskar vi hur universum uppstod, hur planeter bildas och ingår i det kosmiska kretsloppet, samt hur materien är organiserad.
• kosmisk bakgrundsstrålning
• masstal
• neutronstjärna
• periodiska systemet
• svart hål
• valenselektroner
• vit dvärg
Vilka begrepp känner du igen?
1.1 Sex planeter blir tusentals
Uranus observeras
För antikens astronomer var redan sex planeter kända och namngivna. Förutom jorden kan nämligen Merkurius, Venus, Mars, Jupiter och Saturnus observeras med blotta ögat under vissa tider på året. På 1660-talet byggde Sir Isaac Newton ett teleskop som gav en skärpa, förstoring och återgivning av rymden som var överlägsen tidigare teleskop. Det blev startskottet för en teknisk utveckling och under de kommande 100 åren byggdes bättre och bättre teleskop. Den tysk-brittiske astronomen Wilhelm Herschel konstruerade ett teleskop 1781. Med det kunde han observera och bekräfta att ännu en planet, Uranus, rör sig i en omloppsbana kring vår sol. Uranus blev därmed den första planet som vi helt säkert vet när den upptäcktes och av vem.
Neptunus beräknas
Det verkade däremot som någonting delvis störde Uranus omloppsbana. Som att en större himlakropp, förutom solen, utövade gravitation på den. En hypotes lades fram att det möjligen fanns ännu en planet som gick i omloppsbana runt solen, utanför Uranus. Den franske astronomen Urbain Le Verrier och den brittiske astronomen John Couch Adams började oberoende av varandra räkna på dessa störningar för att få fram möjliga koordinater för den okända planeten. Beräkningarna skickades 1846 till ett observatorium i Berlin, där dåtidens mest kraftfulla teleskop fanns. Koordinaterna ställdes in och Neptunus kunde observeras precis där Adams och Le Verrier beräknat att den okända planeten skulle finnas.
(AI
Upptäckten av Neptunus ändrade den forskningsmetod som varit gällande inom astronomi fram till dess. Tidigare hade främst observationer varit det viktigaste redskapet i studier av universum men nu blev olika matematiska beräkningar viktigare. I dag är det kraftfulla datorer och artificiell intelligens (AI) som sköter beräkningar för att exempelvis bestämma avstånd i rymden. Med hjälp av tekniken kan vi också skapa simuleringar för att visualisera och förutse olika händelser i universum.
Me fö
Planetjakten
Det var inte bara sättet att studera universum som ändrades vid upptäckten av Neptunus. Astronomer insåg också att om Neptunus kunde upptäckas, kanske det fanns flera planeter utanför Neptunus omloppsbana. Nu startade en jakt efter fler okända planeter, något som blev det dominerande rymd- och vik ber
Bilden visar en tolkning av hur det kan se ut när exoplaneter passerar sin stjärna och därmed skapar en mörkare skugga på stjärnans yta.
astronomiforskningsområdet i nära 80 år. På 1930-talet upptäckte den amerikanske astronomen Clyde Tombaugh en ny planet som fick namnet Pluto. Pluto blev något av en massmedial kändis då nyheten om den nyupptäckta planeten spreds i media över hela världen.
Exoplaneter
Upptäckter av planeter som befinner sig utanför vårt solsystem, så kallade exoplaneter, pågår kontinuerligt. De första kunde beskrivas i början av 1990-talet och sedan dess har fler än 5 500 planeter hittats i över 4 000 olika solsystem. Det finns flera olika metoder som forskare använder för att upptäcka exoplaneter, men den metod som hittills har gett flest observationer är transitmetoden. Med denna teknik studeras hur planeter kastar skuggor på sina stjärnor. När en stjärna observeras och en planet passerar framför den i sin omloppsbana, uppfattas planeten som en mörkare fläck mot stjärnans yta.
Pluto tappar planetstatus
På en stor rymdkonferens 2006, där många av världens främsta rymdforskare deltog, röstade man om Pluto skulle räknas som en planet eller inte. Bevisen var tydliga. Pluto uppfyllde inte de krav som ställs på en planet. Den har en omloppsbana runt solen, men saknar den gravitationskraft som de andra planeterna har. Den är dessutom inte ensam i sin omloppsbana, utan flera liknande isiga stenklumpar snurrar i samma omloppsbana. Pluto kan heller inte ha bildats när de andra planeterna i solsystemet bildades, eftersom de yttre planeterna är stora gasplaneter, medan Pluto är en liten klump av sten och is. Efter mer än 70 år förlorade därför Pluto sin status som planet.
Planet X
Sedan Pluto tappade sin planetstatus har flera ”Pluto-liknande” isiga himlakroppar studerats på samma avstånd som Pluto. Dessa rör sig också i en omloppsbana runt solen. Det märkliga med dessa är att de verkar vara påverkade av en gravitation från ett större objekt som ligger utanför himlakropparnas bana. Eftersom en eventuell himlakropp utanför Pluto och ”dess syskon” ligger så långt bort från solen reflekterar den inte tillbaka någon infraröd stålning. Därför kan den inte observeras med hjälp av teleskop. Forskarvärlden är inte enig – men mycket tyder på att det finns ännu en planet, Planet X, långt ut i vårt solsystem.
Liv på andra planeter
År 2021 sköts James Webb-teleskopet upp i rymden. Det ersatte då Hubbleteleskopet som är det rymdteleskop som under 30 år har skickat bilder och information om rymden ned till jorden. James Webb-teleskopet är specialiserat på att registrera objekt som sänder ut infraröd strålning, något som olika himlakroppar gör. Med hjälp av teleskopet ska även exoplaneters atmosfärer studeras.
James Webb-teleskopet har redan skickat data till jorden om några exoplaneters atmosfärer.
Bland annat en atmosfär som innehåller gaserna koldioxid och kolmonoxid. Det är tveksamt om det finns liv på just den planeten, eftersom den ligger för nära sin sol för att befinna sig i den beboeliga zonen. Den beboeliga zonen är det avstånd en planet kan ha från sin stjärna för att vatten ska kunna vara flytande. Vatten är nämligen det ämne som är gemensamt för allt liv som hittills observerats. Kanske kan en exoplanet, med en atmosfär som tyder på att planeten har liv, observeras inom de kommande åren?
1.1 Testa dina kunskaper
FÖRKLARA BEGREPPEN
• exoplanet
• transitmetod
• beboelig zon
James Webb-teleskopet är ett rymdteleskop som ger detaljerade bilder av universum och dess utveckling.
SVARA PÅ FRÅGORNA
1 Hur upptäcktes (troligen) följande planeter:
• Venus
• Uranus
• Neptunus
2 Vad innebär transitmetoden när astronomer söker efter nya planeter?
1.2 Från Big bang till vårt solsystem
Vi kan se sådant som hänt för länge sedan
Förutom att leta efter nya planeter och studera deras atmosfärer ska James Webb-teleskopet observera de första ljusa objekten som skapades runt 400 miljoner år efter universum bildades. 400 miljoner år kan ju tyckas vara ganska lång tid efter universums födelse, men faktum är att universum fortfarande var ungt då. Vi kan i dag med ganska stor säkerhet beräkna universums ålder till 13,8 miljarder år, med andra ord 13 800 miljoner år. Den infraröda strålningen från stjärnor som James Webb-teleskopet, och andra teleskop tidigare, kan observera har alltså sänts ut för mycket länge sedan. Det som observeras är med andra ord något som hände för över 13 miljarder år sedan. Detta kan förklaras med att elektromagnetisk strålning rör sig med en konstant hastighet på ungefär 300 000 000 meter per sekund, samtidigt som avstånden i universum är enorma. Vi kan därför inte observera längre tillbaka i tiden än drygt 13 miljarder år, eftersom den strålningen ännu inte har hunnit fram till våra teleskop och till jorden.
Universum expanderar
Hur universum egentligen bildades vet ingen helt säkert. Däremot finns många teorier och mycket forskning om vad som hände direkt efter Big bang.
På 1920-talet började astronomer undersöka den elektromagnetiska strålningen från olika galaxer. Strålningen kan delas upp i ett spektrum, ungefär som när vitt ljus delas upp i regnbågens färger. Spektrumet fungerar som ett slags ”fingeravtryck” som visar vilka grundämnen som finns i galaxerna. När forskarna jämförde dessa spektra upptäckte de något märkligt: strålningen var förskjuten mot den röda delen av spektrumet (den långvågiga strålningen).
Detta kallas rödförskjutning.
Rödförskjutning kan förklaras med dopplereffekten. Den innebär att frekvensen (antalet svängningar per sekund) i en signal förändras beroende på om ljudkällan närmar sig eller är på väg bort. Ett exempel är att ljudet från en brandbilssiren låter högre när den kör mot dig, och lägre när den kör bort från dig. För ljus gäller samma princip: om en galax rör sig bort från oss ”dras” strålningens vågor ut och blir längre. Då förskjuts strålningen mot de röda våglängderna. Upptäckten av rödförskjutningen betyder alltså att nästan alla galaxer är på väg bort från oss – vilket betyder att universum expanderar.
Egentligen är galaxerna inte på väg bort från jorden, utan hela universum expanderar. Universum blir alltså större och större hela tiden och det gör att avstånden mellan galaxer (med alla deras stjärnor och planeter) ökar. Om universum blir större och större måste det därför en gång ha varit mindre.
Mera om:
GRUNDÄMNENAS SPEKTRUM
Niels Bohr konstaterade i sin atommodell att elektronernas avstånd till atomkärnan kan delas in i bestämda energinivåer. Ju närmare atomkärnan, desto lägre energi har elektronen. När atomens inre energinivåer fyllts på med elektroner, befinner sig atomen i sitt grundtillstånd (bild 1).
I en stjärna, där mycket energi frigörs, kan atomer exciteras (Bild 2–3). Det innebär att en elektron får högre energi och förflyttas till en energinivå längre ifrån kärnan. Ett exciterat tillstånd är inte stabilt, så ganska snart efteråt faller elektronen tillbaka till grundtillståndet. Överskottsenergin strålar då ut som synligt ljus (bild 4). Om elektronen tagit upp mycket energi och hoppar en lång sträcka, kommer strålningen som sedan sänds ut att vara energirikt, vilket innebär kortare våglängd. Om elektronen tagit upp lite energi kommer strålning av längre våglängder att sändas ut.
Eftersom alla grundämnen är olika stora kommer exciterade atomer att sända ut ett unikt synligt ljus för varje typ av grundämne. Om ljuset som sänds ut från ett grundämne studeras genom ett prisma, delas de olika färgerna, våglängderna, upp. Dessa unika ”fingeravtryck” av färg kallas för grundämnenas spektrum eller linjespektrum. Genom att studera strålningen från stjärnor genom prismor kan vi dra slutsatser kring vilka grundämnen som finns i en stjärna.
Linjespektrum från grundämnet helium, ett av de vanligaste grundämnena i stjärnor.
Vanligt dagsljus en solig dag kan delas upp i ett spektrum genom ett prisma. De olika färgerna motsvarar olika våglängder på ljuset.
Bevis för Big bang-teorin
Omkring 1950 hade de flesta forskare accepterat att galaxerna rör sig bort från varandra i ett expanderande universum. Det innebär att allt måste ha startat någonstans. Startögonblicket för universums expansion har fått namnet Big bang, på svenska ”den stora smällen”. Tidig forskning utgick från att universum skapats genom en explosion, men i dag talar man hellre om den stora expansionen. Begreppet Big bang lever dock kvar.
Förutom rödförskjutningen blev den kosmiska bakgrundsstrålningen en viktig upptäckt som bekräftade Big bang-teorin. Denna infraröda strålning finns överallt i universum och är nästan likadan i alla riktningar. Strålningen saknar tydlig källa och tolkas som rester av ljuset från Big bang. James Webbteleskopet studerar denna infraröda strålning och kan bidra med ny kunskap om universums tidiga utveckling.
Ett tredje bevis för Big bang-teorin är den jämna halten av vissa grundämnen i universum, framför allt helium. Andelen helium är cirka 25 % överallt, vilket tyder på att grundämnet bildades samtidigt i hela universum under extremt höga temperaturer.
Förloppet i Big bang
Egentligen innefattar inte Big bang-teorin universums skapelse, utan allt som hände precis efter skapelseögonblicket. Då var universum mycket litet, tätt och extremt varmt. All materia var samlad i en enda punkt. Det var så varmt att de vanliga partiklarna i atomkärnorna – protoner och neutroner – inte fanns, utan bara deras beståndsdelar, så kallade kvarkar. Dessutom fanns det elektroner och andra liknande partiklar.
Redan en tiotusendels sekund efter Big bang hade temperaturen sjunkit så mycket att kvarkarna kunde slå sig ihop och bilda protoner och neutroner. Efter ungefär en sekund, när temperaturen hade sjunkit ytterligare, kunde protoner och neutroner bilda atomkärnor. Det här gick alltså snabbt. Sedan tog det omkring 350 000 år innan temperaturen i universum hade sjunkit till ungefär 3 000 °C. Då blev elektronerna så långsamma att de kunde fångas in av atomkärnor. På det sättet kunde de enklaste atomslagen, väte och helium, bildas.
Bildningen av stjärnor och galaxer
Expansionen och avsvalningen av universum fortsatte, trots att expansionstakten minskades något. Eftersom hastigheten avtog en aning kunde materia börja påverka annan materia genom gravitation. På vissa ställen i universum fanns det lite mer materia samlad än på andra. Där blev gravitationen starkare och drog till sig ännu mer materia. Till slut blev dessa klumpar av materia så täta att temperaturen steg. Då satte kärnreaktioner igång, och de började sända ut energi i form av ljus. De första stjärnorna hade bildats. Efterhand samlades stjärnorna i stora grupper – galaxer.
Är universum allt?
Själva ordet universum är sammansatt av det latinska unus, som betyder ”ett”, och verto, som betyder ”att vända”. Universum är alltså vänt åt ett håll. I ordet finns också just tanken om att det bara finns ett universum eftersom universum är allt. Däremot finns det forskare som har lagt fram hypoteser om både multiversum, med andra ord många universum, och olika varianter av parallella universum. Problemet med sådana hypoteser är att vi människor inte kan studera något så långt bort, och med största sannolikhet kommer vi aldrig att få reda på om universum är allt som existerar.
En annan fundering som det inte finns något svar på, är om expansionen så småningom kommer att stanna upp eller om den fortsätter i evighet. Om universum i stället börjar krympa kan vi förstås föreställa oss att det går tillbaka till en liten klump och att det blir en ny Big bang. Avgörande för om expansionen till sist kan upphöra verkar vara hur mycket materia det totalt finns i universum. Den vanliga materian vi kan se, med den tyngdkraft den orsakar, verkar inte räcka till för att universum ska krympa igen.
Vad fanns då före Big bang? Det enda rimliga svaret enligt den rådande teorin är: ”ingenting” och enligt teorin existerade inte heller tiden då. Likaså är det vanligt att ha tankar som: ”När nu universum i början var väldigt litet, vad fanns då utanför universum?” Inte heller den frågan går att besvara.
1.2 Testa dina kunskaper
FÖRKLARA BEGREPPEN
• spektrum
• rödförskjutning
• dopplereffekten
• exciterad atom
• Big bang
• kosmisk bakgrundsstrålning
SVARA PÅ FRÅGORNA
1 Vad menas med att vi tittar bakåt i tiden när vi studerar universum?
2 Vilka tre bevis finns det för Big bang-teorin och universums expansion?
3 Hur bildas en galax?
Universum kan vara allt som existerar –eller bara en del av något ännu större.
Unga stjärnor i stjärnbilden
Cassiopeja på norra stjärnhimlen, syns nere till höger i bild. Dessa är bara någon eller några miljarder år gamla, att jämföra med vår egen sol, som är cirka 5 miljarder år.
1.3 Det kosmiska kretsloppet
En stjärna föds
Det kosmiska kretsloppet beskriver hur materia i universum hela tiden återanvänds. En stjärna föds när materia i rymden packas tätare på ett ställe. Klumpen växer mer och mer, och när massan blir tillräckligt stor kan gravitationen hålla ihop den och forma en lysande stjärna. Om du någon gång pumpat en cykel med en gammal cykelpump har du kanske känt att cykelpumpen blev varm när gasen i pumpen trycktes ihop. Samma sak händer i en stjärna som föds. Partiklarna i gasen i den unga stjärnans mitt blir till slut blir så varma att de börjar kollidera och reagera med varandra.
Energiomvandling i en stjärna
Reaktionerna som sker i en stjärnas inre är fusionsreaktioner. Det innebär att små atomkärnor slås ihop till en större (jämför med fissionsreaktioner som sker i ett kärnkraftverk – där bryts i stället atomkärnor isär). Under den största delen av en stjärnas livscykel sker fusionsreaktioner mellan väteatomer och då bildas helium. Vid fusionsreaktionen frigörs energi i form av elektromagnetisk strålning.
Den energi som frigörs kan förklaras med Albert Einsteins berömda formel E = mc², som visar att massa kan omvandlas till energi. En annan del av förklaringen är att protoner och neutroner i atomkärnor inte alltid
väger lika mycket i olika atomslag. En heliumkärna består till exempel av fyra kärnpartiklar, medan vätekärnor bara har en var. Trots detta är heliumkärnan lite lättare än fyra vätekärnor tillsammans. Den ”saknade” massan har omvandlats till ljus- och värmeenergi – alltså har en del av materian blivit energi.
I vår närmaste stjärna, solen, omvandlas exempelvis 600 miljoner ton väte till helium varje sekund. Det innebär en effekt på 4 · 1026 Watt. Effekt är hur snabbt energi används eller omvandlas. Energin når oss på jorden i form av olika typer av elektromagnetisk stålning, såsom värmen från infraröd strålning, synligt ljus och ultraviolett strålning (UV-strålning).
När bränslet börjar sina
Vid fusionsreaktionerna i stjärnans inre frigörs stora mängder energi som sprider sig utåt. Detta brukar kallas för ett strålningstryck. Samtidigt har stjärnan ett gravitationstryck som pressar stjärnans materia in mot mitten. Så längre vätefusionen pågår finns en balans mellan strålningstrycket och gravitationen. När vätet börjar ta slut kommer i stället heliumatomer att slås ihop till tyngre grundämnen och bilda kol. Vidare bildas syre, magnesium, kisel och järn. Tyngre grundämnen än järn kan inte bildas på samma sätt eftersom den typen av fusionsreaktioner kräver energi i stället för att frigöra energi.
I takt med att fusionen av väte och även fusionen av helium avtar minskar samtidigt stjärnans strålningstryck. Gravitationskraften inåt blir då starkare än strålningstrycket utåt, något som medför att stjärnan dras samman. Denna kollaps av stjärnan frigör energi som gör att tyngre grundämnen än järn också kan bildas.
Grundämnen sprids i supernovor
Stora stjärnor får en kraftigare kollaps – deras gravitationskraft är ju starkare. När kollapsen når stjärnans tätaste kärna studsar materian tillbaka utåt. Detta leder till en chockvåg som trycker sönder stjärnan och sprider delar av den i stor hastighet ut i rymden. Detta kallas för en supernovaexplosion. Förutom gas och stoft sprids alla grundämnena som bildats under stjärnans sista slutfas. Härifrån kommer de grundämnen som blir byggmaterial till nya stjärnor – eller kanske en planet, en skalbagge eller en människa.
En liten del av stjärnan kan bli kvar. Denna del kollapsar ihop till antingen en neutronstjärna, eller för riktigt stora stjärnor, ett svart hål. En neutronstjärna kan beskrivas som en stor klump av neutroner. Den kallas även pulsar, eftersom den hela tiden sänder ut pulserande radiostrålning. Ett svart hål är ett område med extremt tät materia, där resterna efter en stor stjärna krympt ihop. I ett svart hål blir gravitationen så stark att inte ens ljus kan komma ut. I vår galax Vintergatan finns flera svarta hål. Dessa befinner sig främst i galaxens centrum.
väteatomkärna (deuterium)
+
neutron proton + elektromagnetisk strålning
+ +
väteatomkärna (tritium)
heliumatom i mellanstadium
partikelstrålning
I en fusionsreaktion slår små atomkärnor ihop sig till större. Här är det två väteisotoper, deuterium och tritium, som bildar helium. Eftersom energi frigörs vid fusionen är en heliumkärna lättare än en deuterium-kärna och en tritium-kärna ihop – materia har omvandlats till energi.
Den här supernovan är uppkallad efter astronomen Kepler, eftersom han såg den redan för 400 år sedan.
Lättare stjärnor blir dvärgar
Solen, och andra stjärnor i samma storlek, räknas till de lättare stjärnorna. I en lättare stjärna bildas inte lika många tyngre grundämnen som i en större stjärna. Den slutar inte heller som en pulsar eller ett svart hål. Endast en liten del av dessa stjärnor sprids ut i rymden när bränslet tar slut. När strålningstrycket avtar i dessa stjärnor kommer de först att kollapsa inåt, varvid värmen gör att stjärnan utvidgar sig. Stadiet de genomgår då kallas för röd jätte. I detta stadium, om cirka 5 miljarder år, kommer vår egen sol att förbränna de innersta planeterna, däribland jorden.
Den röda jätten krymper därefter ihop till en lysande klump i samma storlek som vår jord. Den har mycket tät materia eftersom den har ungefär samma massa som tidigare. Denna klump kallas för en vit dvärg och lyser en stund på grund av restvärme. Efter ett tag svalnar den till ett kallt klot. Eftersom de mindre stjärnorna inte sprängs i en supernova som de större stjärnorna, kommer de tyngre grundämnena som bildats i samband med det röda jätte-stadiet att bli inneslutna och för evigt förlorade i den vita dvärgen.
Det kosmiska kretsloppet visar hur en stjärna föds, lever och dör.
stjärnor lever
stjärnor dör gas och stoft blandas bränslet sinar
supernovor kastar ut gas som anrikats med tyngre ämnen
väteförbränning gas dras samman
stjärnor föds
Vårt solsystem bildas
En stjärna bildas alltså när materia i rymden packas tätare på ett ställe. Vår egen stjärna, solen, bildades ur en sådan förtätning. Den bestod mestadels av väte och helium, samt några tyngre ämnen och mindre molekyler som ammoniak och koldioxid. Det skedde för cirka 4,6 miljarder år sedan. Ju mer materia som drogs ihop, desto varmare blev den unga solens kärna och så småningom började väteförbränningen. När något blir så varmt börjar det också röra på sig. Värme är ju ett sätt att beskriva rörelse. Under rotationen bildades en skiva av materia runt den unga solens ekvator.
Fyra små tunga planeter
Den materia som roterade närmast solen var tyngre, halvsmälta ämnen, som var klibbiga på grund av värmen. Ämnena började kollidera i den roterande skivan och klibbade ihop i varandra. När klumparna blivit tillräckligt stora för att få egen tyngdkraft drog de till sig ännu mer materia. Till slut fanns bara ett fåtal större klumpar kvar och solsystemets fyra inre planeter hade bildats.
Fyra stora lätta planeter
Längre ut i den roterande skivan hamnade de lättare och mer gasformiga ämnena. Den utströmmande gasen liknande mer sammansättningen hos solen. Även här skedde en förtätning i vissa områden, vilken till slut resulterade i klumpar med egen gravitation. De yttre planeterna började därmed bildas, och på grund av sin höga andel gaser kunde de växa och bli mycket större än de inre planeterna.
I tabellen nedan finns fysikaliska data om planeterna i vårt solsystem. För att lättare kunna jämföra de andra planeterna med jorden utgår vi ifrån att jorden har massan 1 och ett avstånd till solen som är 1. När du jämför de olika siffrorna med varandra kan du se att de fyra inre planeterna är mindre, samtidigt som de består av tyngre grundämnen (densiteten är högre). De fyra yttre planeterna är i stället mycket större, men har en lägre densitet. Den totala massan hos de fyra större planeterna är däremot mycket större än hos de fyra inre.
1.3 Testa dina kunskaper
FÖRKLARA BEGREPPEN
• fusionsreaktion
• strålningstryck
• supernovaexplosion
• neutronstjärna
• svart hål
• röd jätte
• vit dvärg
SVARA PÅ FRÅGORNA
1 Vilken är den vanligaste reaktionen i en stjärna?
2 Beskriv balansen mellan strålningstrycket och gravitationstrycket i en stjärna.
3 Hur sprids de tyngre grundämnena ur i rymden?
4 Vad är skillnaden mellan en röd jätte och en vit dvärg?
Att navigera efter stjärnor
Den tidiga sjöfararen använde stjärnhimlen för att navigera och bestämma skeppets position. I dag används i stället avancerade GPS-system.
Men hur hittar de djur som migrerar, exempelvis de som med regelbundna intervaller flyttar mycket långa sträckor? Många djur använder jordens magnetfält eller landmärken för att navigera. Det finns faktiskt djur som också kan navigera efter stjärnhimlen. Vissa nattflygande migrerande fåglar och valar har varit kända för att kunna positionsbestämma med hjälp av stjärnor. Det finns också insekter som kan navigera med hjälp av stjärnorna. Den australiensiska nattfjärilen bogongfjärilen är ett exempel. Miljontals fjärilar flyttar varje sommar cirka 100 mil för att spendera den varma årstiden i en sval grotta. Eftersom fjärilen förökar sig och föds under vintern och sedan endast lever ett år, finns det inga äldre fjärilar som kan ha lärt de yngre fjärilarna vart de ska navigera. Dels har fjärilarna ett magnetsinne, så att de kan känna av jordens magnetfält, dels kan de navigera under natten med hjälp av stjärnornas position. Detta har testats i laboratoriemiljö där magnetfält kan avlägsnas. När en stjärnhimmel projicerades ovanför fjärilarna började samtliga flyga i samma riktning.
Skalbaggen dyngbaggen är världens starkaste djur. De kan bära dyngbollar som väger 100 gånger den egna vikten. Förutom att vara så starka har det visat sig att även dyngbaggar kan navigera efter stjärnhimlen. Detta undersöktes genom att en grupp dyngbaggar placerades i ett planetarium, en stor kupolformad byggnad där en stjärnhimmel kan projiceras. Hälften av dyngbaggarna fick små skärmar på
huvudet så att de inte kunde se planetariets himmel ovanför sig. Först irrade alla dyngbaggar mest runt med sina dyngbollar, men så fort en stjärnhimmel projicerades i planetariet började alla dyngbaggar utan skärmmössa rulla sina dyngbollar åt samma håll.
Vår moderna och avancerade navigationsteknik kräver mycket energi, uppkoppling, satelliter samt gör oss spårbara. Djurens inbyggda navigationsförmåga kräver däremot lite energi och är baserad på enkla biologiska system. I vissa fall kan djuren även hitta en position med större precision än vi människor trots vår avancerade teknik. Kanske finns föregångaren till framtidens supersmarta GPS i en liten skalbagge?
DISKUSSIONSFRÅGOR
1 På vilka sätt är insekternas navigationssystem överlägset människans och vilka skulle vara i behov av ett liknande navigationssystem?
2 Kan du komma på fler exempel där människan skulle kunna härma djur för att nå nya tekniska innovationer?
En dyngbagge med skärmmössa.
1.4 Materian organiseras
Grundämnen
De flesta av grundämnena på jorden har bildats i stjärnor och spridits ut i rymden när stjärnorna exploderat i supernovor. Väte och helium – de allra lättaste grundämnena – finns däremot kvar i samma mängd överallt i universum. Vi har också en del tunga och mestadels radioaktiva grundämnen som har skapats av människor på laboratorier eller som kan bildas i samband med fissionsreaktioner i en kärnreaktor.
Grundämnena skiljs åt genom deras specifika antal protoner, det vill säga den positiva partikeln i atomens kärna. Antal protoner motsvarar grundämnets atomnummer. Titta på den förenklade modellen av en järnatom här bredvid.
I järnatomens kärna finns 26 positivt laddade protoner; järn har alltså atomnummer 26. I kärnan finns också neutroner som är neutrala kärnpartiklar. Utan neutronerna skulle inte kärnan kunna hålla ihop eftersom protonerna repellerar, stöter ifrån, varandra. Antalet neutroner kan skilja lite, även inom samma grundämne. Varianter av antalet neutroner inom samma grundämne kallas för grundämnets isotoper. Den vanligaste järnisotopen har 30 neutroner. Runt kärnan kretsar de negativt laddade elektronerna. I en neutral atom finns lika många protoner som elektroner (lika mycket plus som minus). Om atomen fått eller lämnat ifrån sig elektroner blir atomens laddning ojämn – den kallas då för en jon. I modellen ser du att elektronerna finns i teoretiska ”skal”, energinivåer, runt atomkärnan. Elektronerna utgör tillsammans atomens elektronmoln.
Grundämnena får sina symboler
En förenklad modell av järnatomen, som har en kärna med 26 protoner och vanligtvis 30 neutroner. Kring kärnan kretsar 26 elektroner i olika ”skal”. Tillsammans bildar de ett elektronmoln.
Under 1700- och 1800-talen upptäcktes och beskrevs fler och fler grundämnen. Många dåtida kemister försökte hitta ett bra system för att dels namnge grundämnena, dels sortera och kategorisera dem. Den engelska kemisten John Dalton, som för övrigt var den som definierade vad ett grundämne var, hittade på ett symbolspråk där varje grundämne fick en egen symbol. Symbolerna kombinerades för att visa olika molekyler. Daltons symboler var ganska opraktiska att rita och i början av 1800-talet skapade den svenske kemisten Jöns Jacob Berzelius ett nytt symbolspråk. Berzelius tog den första bokstaven i grundämnenas vetenskapliga namn, eller de första två bokstäverna om fler grundämnen började på samma bokstav, och lät detta bli grundämnets kemiska tecken. Detta system används fortfarande, både i Sverige och internationellt, och det är alltså de bokstäver du kan se i det periodiska systemet.
Dimitrij Ivanovitj Mendelejev la grunden för det periodiska systemet.
Att kombinera massa och egenskaper
Berzelius försökte också sortera in alla upptäckta grundämnen i någon typ av kategorier baserat på deras atomvikter. Samtida kemister gjorde liknande försök, men sorterade i stället in grundämnena efter deras egenskaper. Redan tidigt hade nämligen kemister sett att vissa grundämnen liknande varandra. Ett sådant exempel var litium, natrium och kalium, respektive klor, fluor och brom.
I mitten av 1800-talet, när ungefär 60 av de 92 naturliga grundämnena (grundämnen som inte skapats av människan) var upptäckta, kom den ryske kemisten Dimitrij Ivanovitj Mendelejev på idén att skapa ett system som kombinerar grundämnenas egenskaper och vikt (massa).
Mendelejev började med att skriva upp varje grundämnes atommassa och andra typiska egenskaper på små kort som han sedan lade ut på ett bord. Han placerade korten i vertikala rader från vänster (lägst atommassa) till höger (högst atommassa). Sedan lade han korten med liknande egenskaper i lodräta rader (under varandra). Han märkte då att det fanns luckor här och där och antog att de här luckorna motsvarade grundämnen som ännu inte hade upptäckts. Och precis så var det! Dessutom kunde han utifrån sitt periodiska system, som det kom att kallas, förutsäga olika egenskaper hos de ännu okända grundämnena, till exempel ämnenas densitet och kokpunkt. Därför gick det förhållandevis snabbt att upptäcka de grundämnen som saknades i Mendelejevs periodiska system. Nu visste ju kemister vilka egenskaper de letade efter.
Det Mendelejev inte visste var varför grundämnen med olika massor kunde ha liknande egenskaper. Den gåtan kunde lösas under 1900-talet då elektronerna och grundämnens elektronstruktur, det vill säga hur elektroner är arrangerade runt atomkärnan, kunde studeras. Framför allt den och de elektroner som befinner sig i energinivån längst från atomkärnan, de så kallade valenselektronerna, har visat sig vara viktiga för grundämnets egenskaper.
Det periodiska systemet berättar
Nedan ser du en modern variant av Mendelejevs periodiska system. Det innehåller ganska mycket information om grundämnena. Först och främst ser vi de kemiska tecknen som Berzelius införde. H står exempelvis för hydrogen, som är det vetenskapliga namnet för väte, och Fe står för ferrum, det vill säga järn. Du kan också läsa ut:
Atomnumret – Den undre av de två siffrorna i varje ruta anger atomnumret. Atomnumret är grundämnets antal protoner och, om grundämnet är neutralt, även antalet elektroner.
Atommassan – Den övre siffran i rutan beskriver medelmassan hos grundämnets isotoper. Massan hos en atom mäts i enheten unit, eftersom kilogram (kg) är en alltför stor enhet. En proton väger exempelvis 1,67 · 10-27 kg. Enheten unit är definierad som 1/12 av massan hos en kol-12-atom, vilket gör att både protoner och neutroner ungefär väger 1 unit. Helium (He) har masstalet 4,00, vilket innebär att den innehåller två protoner (atomnumret 2), samt två neutroner (massan hos två protoner och två neutroner blir tillsammans 4 unit). Elektronerna är så lätta i sammanhanget att deras vikt blir försumbar. Masstalet beskriver det totala antalet protoner och neutroner i atomens kärna.
De två isotoperna kol-12 och kol-14 skiljer sig i antalet neutroner (blå) i kärnan.
Radioaktivitet – Det finns en hel del grundämnen som har radioaktiva isotoper, det vill säga isotoper där atomerna faller sönder och strålar ut radioaktiv partikelstrålning. Exempelvis kol, som är den viktigaste byggstenen i djur och växter, har en radioaktiv isotop – kol-14. Men en del grundämnen är så pass radioaktiva att de endast kan existera en kort stund innan de faller sönder. Ofta är det grundämnen som skapats av människor i laboratoriemiljö. Dessa grundämnen har ett masstal inom parentes. Det är vanligast att de tyngre grundämnena är radioaktiva. Det beror dels på att dessa atomer blir så pass stora att kärnans neutroner inte kan hålla isär protonerna, dels att elektronerna hamnar så långt från kärnan att den attraherande kraften mellan protonernas positiva laddning och elektronernas negativa laddning blir för svag. Dessa atomer har därför svårt att hålla ihop och faller lätt sönder. Grupp – Grupperna i periodiska systemet är de lodräta raderna. Här är grundämnen indelade efter deras egenskaper, vilket i princip innebär hur många valenselektroner grundämnet har. I grupp 1, en grupp som kallas för alkalimetallerna, har grundämnena exempelvis 1 valenselektron.
Period – Perioderna i det periodiska systemet är de vågräta raderna. Här ökar grundämnenas masstal från vänster till höger. Alla grundämnen inom samma period har i sitt grundtillstånd elektroner i samma antal energinivåer (bokstäverna längst till höger i systemet K–Q står för elektronernas energinivåer).
Typ av ämne – De tre färgerna i systemet, blå, röd och grön, indikerar vilken typ av ämne grundämnet är. De blå ämnena är metaller, med specifika metallegenskaper som du kan läsa vidare om i kapitel 3. De gröna ämnena är icke-metaller. De saknar de metalliska egenskaperna. Några ämnen är halvmetaller, vilket innebär att de delar vissa av metallernas egenskaper men saknar andra.
Alkalimetallerna finns i grupp 1 i det periodiska systemet. Här syns litium till vänster, natrium i mitten och kalium längst till höger.
Aggregationstillstånd – I det periodiska systemet kan du också läsa ut i vilket aggregationstillstånd (det vill säga om det är fast, flytande eller en gas) som grundämnet befinner sig i vid rumstemperatur och normalt lufttryck. Det visas i detta system som en färgmarkering i rutornas hörn. De allra flesta grundämnen är fasta, vilket kanske inte är så konstigt eftersom de flesta grundämnen är metaller. Men några är också i gasform, exempelvis syre (O), kväve (N) och hela gruppen längst till höger – en grupp som kallas för ädelgaserna. Endast två grundämnen, brom (Br) och kvicksilver (Hg) är flytande i rumstemperatur. Alla dessa grundämnen och dess beståndsdelar ingår i ett stort kosmiskt kretslopp som involverar många miljarder år. Även på jorden cirkulerar atomer i kretslopp – i luften, berggrunden och i olika organismer. Det kommer det kommande kapitlet att handla om.
1.4 Testa dina kunskaper
FÖRKLARA BEGREPPEN
• atomnummer
• isotop
• jon
• elektronmoln
• kemiskt tecken
• naturligt grundämne
• periodiska systemet
• valenselektron
• masstal
SVARA PÅ FRÅGORNA
1 Vilken viktig del inom kemin tillskrivs den svenske kemisten Berzelius?
2 Vilka två parametrar hos grundämnena kombinerade Mendelejev i sitt periodiska system?
3 Vilken typ av grundämnen är absolut vanligast: metaller, icke-metaller eller halvmetaller?
4 Vilka två grundämnen är flytande i rumstemperatur?
Brom (bromine på engelska) är ett av två grundämnen som är flytande vid rumstemperatur. Brom är giftigt! Därför har flaskan etiketter med varningssymboler – de för frätande, giftigt och miljöfarligt.
Sammanfattning
• Tidiga astronomer studerade himlen med ögonen eller enkla instrument. Ju mer avancerade teleskop som utvecklats, desto fler himlakroppar har vi upptäckt.
• Dagens astronomer använder matematiska beräkningar, AI och simuleringar i kombination med information från teleskopen.
• I dag pågår ett aktivt letande efter fler planeter, så kallade exoplaneter, samt studier av deras atmosfärer.
• Universum bildades för 13,8 miljarder år sedan i en enda punkt och har sedan dess expanderat – ökat i storlek.
• Tecken på Big bang är bland annat att galaxerna rör sig bort från varandra och att det fortfarande finns en kosmisk bakgrundsstrålning.
• Stjärnor kan beskrivas som glödande gasklot, där energi frigörs genom fusionsreaktioner, alltså reaktioner där små atomkärnor slås ihop till större, medan energi frigörs.
• Det huvudsakliga bränslet i en stjärna är väte som slås ihop till helium. När väteförbränningen börjar ta slut kan även tyngre grundämnen bildas.
• När bränslet är slut expanderar en stjärna till en röd jätte. Därefter kommer små stjärnor, i solens storlek, att krympa till vita dvärgar. De stora stjärnorna sprängs i en supernovaexplosion.
• I en supernovaexplosion sprids olika grundämnen ut i universum, medan det som blir kvar av stjärnan antingen blir en neutronstjärna eller ett svart hål.
• Vårt solsystem är cirka 4,6 miljarder år och består av, förutom solen, fyra mindre planeter med hög densitet, och fyra större planeter som mestadels består av gas.
• Ett grundämne är ett ämne med ett specifikt antal protoner. Det kallas ämnets atomnummer.
• Alla kända grundämnen har samlats och delats in i det periodiska systemet. Här kategoriseras de efter vikt och egenskaper (antal valenselektroner).
• Det periodiska systemet ger även information om grundämnenas aggregationstillstånd, det vill säga om de är radioaktiva, samt om grundämnet är en metall, icke-metall eller halvmetall.
exoplaneter 8 runt vår sol
planetsystem
väteförbränning
kosmiska kretsloppet
Big bangteorin
universum och materia
materia sorteras stjärnor
små stjärnor stora stjärnor
bränslet slutbränslet slut
vit dvärgsupernova och grundämnen sprids i universum
Uppgifter
1 Hur kan astronomer hitta planeter i andra solsystem, men samtidigt ha stora problem att hitta en eventuell nionde planet i vårt eget solsystem?
2 Hur kan man ta reda på vilka grundämnen som finns i en stjärna?
3 Vad är skillnaden mellan spektrum från avlägsna galaxer och ett spektrum från solen?
4 Beskriv det kosmiska kretsloppet.
5 Universum kommer med tiden att bestå av tyngre och tyngre grundämnen. Varför är det så?
6 Efter Big bang samlades materian så småningom i ”klumpar”. Vad ledde det till?
7 Vad händer när en stjärna dör (slocknar) och hur skiljer sig slutet mellan tyngre och lättare stjärnor?
8 Hur skiljer sig bildandet av lättare grundämnen, som kol och helium, från bildandet av tyngre, exempelvis guld och silver?
9 Vår stjärna solen är en andra generationens stjärna. Den är alltså bildad av material som kommer från tidigare supernovor. Hur kan vi med säkerhet veta det?
universum expanderar periodiska systemet
kosmisk bakgrundsstrålning
rödförskjutning
grundämnens massa
grundämnens atomnummer antal protoner
grundämnens egenskaper
valenselektroner
10 Hur stödjer den kosmiska bakgrundsstrålningen teorin om Big bang?
11 Länge ansågs Pluto vara en planet. Utgå från tabellen på sidan 19 och motivera varför ett litet och tungt objekt utanför de andra planeterna antagligen inte bildats samtidigt som de övriga planeterna.
12 Varför kan man utvinna energi genom att slå ihop lätta atomkärnor till tyngre atomkärnor?
13 Varför är det svårt att veta vad som kommer att hända med universum i framtiden? Vad kan forskare trots allt säga om universums framtid?
14 På vilket sätt liknar grundämnen varandra i det periodiska systemets – grupper – perioder?
15 Varför används inte enheten kilogram när man pratar om atomer?
16 Varför är just valenselektronerna extra intressanta när det kommer till grundämnen?
17 Sammanfatta den information som det går att hämta i det periodiska systemet.
2 Kretslopp i naturen
I kapitel 1 läste du om det stora kosmiska kretsloppet av materia. Även här på jorden cirkulerar grundämnen i olika kretslopp. De atomer som finns är de vi har att använda, och de återanvänds i långsamma kretslopp som kan ta miljoner år – till exempel när berggrund och fossila bränslen bildas – eller i snabba kretslopp som sker i levande organismers ämnesomsättning.
När du har läst kapitlet ska du ha kunskap om …
• hur atomer kan binda sig till varandra
• vad kemiska reaktioner är
Du har säkert läst om kolets och syrets kretslopp och hur viktiga de är i fotosyntesen och cellandningen, men det finns fler viktiga kretslopp. I det geologiska kretsloppet binds ämnen som fosfor, kalium, kalcium och svavel in i berg under miljontals år. För att växter och djur ska kunna använda dem måste de frigöras igen.
• det geologiska kretsloppet
• hur grundämnen både kan vara en del av det geologiska kretsloppet och viktiga i organismer
• kalcium, kalium, fosfor och svavels kretslopp
• det viktiga näringsämnet kväve
• fördelar och problem med konstgödning.
Centrala begrepp
• bergart
• denitrifikation
• erosion
Ett annat livsviktigt ämne är kväve. Det finns i stora mängder i luften, men kvävgasens starka bindningar gör att växter och djur inte kan utnyttja den direkt. Grundämnen cirkulerar inte bara i naturen och i levande organismer, utan används också i många industriella processer. I det här kapitlet ska vi titta närmare på några av grundämnenas kretslopp – och hur människan påverkar dem.
• konstgödsel (mineralgödsel)
• geologiska kretsloppet
• kvävefixerande bakterier
• mineral
• Haber-Bosch metoden
• jonförening
• kemisk bindning
• kemisk reaktion
• mineralämnen
• nitrifikation
• urlakning
• vittring
• ädelgasstruktur
Vilka begrepp känner du igen?
2.1 Atomer byter plats i kretsloppen
Valenselektroner och ädelgasstruktur
När grundämnen rör sig genom sina kretslopp sker ständigt kemiska reaktioner. Det betyder att atomerna skiljs åt från de ämnen de tidigare ingått i, byter plats och binder sig till andra atomer – och på så sätt bildas nya ämnen.
Ibland frigörs energi i en kemisk reaktion, som när kolhydrater bryts ned vid matspjälkningen. Ibland krävs det i stället energi för att en reaktion ska kunna ske, till exempel när solens elektromagnetiska strålning behövs för att koldioxid och vatten ska reagera i fotosyntesen. I alla kemiska reaktioner, både de som frigör och de som kräver energi, är det atomernas valenselektroner som ser till att olika atomer förenar sig med varandra.
att ato ytters med a
När en atom reagerar eftersträvar den det tillstånd som är mest stabilt. Atomer är i regel mest stabila när den yttersta energinivån innehåller åtta valenselektroner. Alla ädelgaser har åtta valenselektroner utom helium, som bara har två valenselektroner, eftersom den bara har en energinivå. Därför säger man att atomer har ädelgasstruktur när de har åtta (två) valenselektroner i den yttersta energinivån. Atomerna kan uppnå ädelgasstruktur genom att reagera med andra ämnen och ingå i olika kemiska bindningar.
kem
I kemiska reaktioner bildas ett eller flera nya ämnen med andra egenskaper än utgångsämnena.
bilda nya ä egen e
Bildförteckning
Omslag: Shutterstock
6 Cavan Images/Getty Images
8:1 Juan Carlos Muñoz Mateos/ ESO
8:2 NASA
8:3 Rebecca Wallin/Johnér
10 NASA/Ames/JPL-Caltech
11 Erik Simonsen/Getty Images
13:1 Science Photo Library/TT
13:2 Science Photo Library/TT
15 Daniel Garrido/Getty Images
16 NASA
17 NASA
20:1 Marcus Byrne, Wits University
20:2 David Trood/Getty Images
22:1 ANP/TT
22:2 Science & Society Picture Library/Getty Images
24 Turtle Rock Scientific/ Science Photo Library/TT
28:3 Freric Alm/LKAB
30:2 Maskot/Johnér
35:1 Marco Ritzki/Getty Images
35:2 Zimbres/Wikimedia
36 Matauw/Getty Images
38 Rolf_52/Shutterstock
44 Henrik Montgomery/TT
49:2 Westend61/Getty Images
52:1 Narumon Bowonkitwanchai/Getty Images
52:2 SENEZ/Getty Images
52:3 Scotto72/Getty Images
57:1 Malcolm Hanes/Johnér
57:2 Lars Lindqvist/DN/TT
57:3 Eva Levau/TT
61 Erik Simander/DN/TT
63 Fredrik Sandberg/TT
64 Lalo de Almeida/Panos
66:1 LKAB
66:2 Thomas Karlsson/DN/TT
67 i-Stockr/iStock
69 Pia & Hans Nordlander, Bildn/Jernkontoret
73 Alleima
76:3 Marek Mis/Science Photo Library
77 Sigrid Gombert/Science Photo Library/TT
78:1 Universal History Archive/ Getty Images
78:2 Westend61/Getty Images
81:1 Jose A. Bernat Bacete/Getty Images
81:2 Alamy
83 Sanja Radin/iStock
85 Science Photo Library/TT
89 David Allio/Icon Sportswire/Getty Images
91 Plattform/Johnér
92 Susanne Kronholm/Johnér
93 plainpicture/Johnér
94 Cecile Degremont/Look At Sciences/Science Photo Library/TT
97 Lieselotte Van Der Meijs/ Johnér
98 Su Arslanoglu/iStock
99 Science Photo Library/TT
104:1 Michal Cizek / AFP/Getty Images
104:3 James L. Amos/Getty Images
105:1 Ed Reschke/Getty Images
105:2 Jan Hinsch/Science Photo Library/TT
107:1 Buiten-Beeld/Alamy/TT
107:2 Mujo Korach/TT
107:3 Rodney Start Museums Victoria/Shutterstock
109:1 Tony Camacho/Science Photo Library/TT
109:2 Thurtell/iStock
110:1 Gary Hincks/Science Photo Library/TT
110:2 Long Zhiyong/Getty Images
111:1 Oxford Pete Oxford/Minden Pictures/Getty Images
111:2 Shah Anup/Nature Picture Library/TT
112 Michael W. Tweedie/Science Photo Library
113:1 Hobo_018/Getty Images
113:2 Daniela Beckmann/Science Photo Library/TT
114:1 Ulf Antonsson/Naturfotograferna
115 Tim Laman/Nature Picture Library
118:1 Christopher Swann/ Science Photo Library/TT
118:2 Bob Gibbons/Science Photo Library/TT
118:3 Stan Tekiela/Getty Images
118:4 All Canada Photos/Alamy/ TT
118:5 David Chapman/Ardea
121:1 Alexis Rosenfeld/Getty Images
121:2 Matthew Dodd/University College London/Reuters/ TT
124 Andrey Atuchin/Berkley edu
125 Javier Trueba/MSF/Science Photo Library/TT
128 Jens Schlueter/Getty Images
129 De Agostini Picture Library/Getty Images
134:1 Mark Garlick/Science Photo Library
134:2 Tek Image/Science Photo Library/TT
134:3 Science Photo Library/TT
135 Steve Gschmeissner/ Science Photo Library/TT
136 Mark Garlick/Science Photo Library/TT
137 Science Photo Library/TT
141 Lina Arvidsson/Johnér
147 Adrian T Summer/Science Photo Library/TT
147 Johanna Nyholm/Johnér
149 Pontus Lundahl / TT
151 Science Photo Library/TT
154 BSIP/Getty Images
155 Christian Darkin/Science Photo Library/TT
156:1 Alamy /TT
156:2 John D. Buffington/Getty Images
159:1 Science Photo Library/TT
159:2 Jimmy Wixtröm/Aftonbladet/TT
159:3 David Parry/Pa Photos/TT
160 Tek Image/Science Photo Library/TT
163 Fredrik Schlyter/Johnér
164:1 Tek Image/Science Photo Library/TT
164:2 Kateryna Kon/Science Photo Library/TT
164:3 Thomas Deerinck, Ncmir/ Science Photo Library/TT
166 Westend61/Getty Images
172 Caiaimage/Johnér
176 Nikos Stavrinidis/500px/ Getty Images
178 Björn Larsson Rosvall/TT
179 MoMo Productions/Getty Images
180 AI-generad bild, Chat GPT
181 Harper-Collins
182 Hjärt-Lungfonden
183 selvanegra/iStock
185 Zephyr/Science Photo Library/TT
188 Anna Tärnhuvud/SVD/TT
193 Åke Nyqvist/Folio
194 Science Photo Library/TT
196:1 Public Library of Science/ Wikipedia
197 lauriek /iStock
198 Andreas Kuehn/Getty Images
200 Science Photo Library/TT
203 Garro/Phanie/Passage/ Getty Images
204 Jens Lindström/Johnér
213 Uma Shankar sharma/ Getty Images
215:2 Science Photo Library/TT
215:3 Alfred Pasieka/Science Photo Library/TT
215 Peakstock / Science Photo Library/TT
217 Bettmann/Getty Images
220:1 Jens Lindström/Johnér
220:3 Mikael Fritzon/TT
221 Thom Leach/Science Photo Library/TT
225 Science Photo Library/TT
230 Jessica Gow/TT
232:1 Elliot Elliot/Johnér
232:2 Fritz Henle/Library of Congress
232:3 Dr P. Marazzi/Science Photo Library/TT
232:4 Dr P. Marazzi/Science Photo Library/TT
233 Science Photo Library/TT
235:1 Cci Archives/Science Photo Library/TT
236:1 UCG/Getty Images
236:2 Jan Sonnemair/Getty Images
239 Science Photo Library/TT
240 CNRI/Science Photo Library/TT
243 Jim Stevenson/Science Photo Library/TT
244 Joakim Ståhl/SvD/TT
245 Keith Chambers/Science Photo Library/TT
248:1 Dowell/Getty Images
249 Imagestock/Getty Images
251 Plattform/Johnér
252 Prakaymas vitchitchalao Alamy/TT
254 Gaetan Bally/Keystone/TT
255 Science Photo Library/TT
256 Cecilia Nystrand
258 Anna Simonsson/TT
259 Maskot/Johnér
263 Maskot/Johnér
267 Magnus Laupa
268 Tore Meek/TT
270 Science Photo Library
271 National Institutes Of Health/Science Photo Library/TT
273 Andreas Bardell/Aftonbladet/TT
274:1 Philippe Psaila/Science Photo Library/TT
278 Oleg Breslavtsev/Getty Images
278 Magnus Ragnvid/Johnér
278 Plattform/Johnér
280 Dorling Kindersley/Getty Images
283 Anna Cinaroglu/Getty Images
289:2 Westend61/Getty Images
290 Plattform/Johnér
291 Filmstax/iStock
293 Cavan Images/Getty Images
294 Caiaimage/Johnér
296 Agnetha Tillnert/Johnér
298 plainpicture/Johnér
299:1 Johan Willner/Johnér
299:2 Ellinor Hall/Johnér
Övriga fotografier: Shutterstock
Tankekartor: Cecilia Frank
ISBN 978-91-47-15366-4
©2026 Gunnar Björndahl, Johan Castenfors, Elin Johansson, Birgitta Landgren, Anders Nystrand, Cecilia Nystrand och Liber AB. Text- och datautvinning ej tillåten.
förläggare: Andreas Persson redaktör: Eva Lundström och Marcus Hylander grafisk form och omslag: Cecilia Frank/Frank Etc. AB
bildredaktör: Martina Mälarstedt/Sanna Bilder
illustratör: Cecilia Lorentzon, Typoform (s 168) projektledare: Louise Westin produktionsspecialist: Helene Ågren
Tredje upplagan
1
Repro: Repro 8 AB, Stockholm
Tryck: People Printing, Kina 2026
KOPIERINGSFÖRBUD
Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och elevers begränsade rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner och universitet.
Intrång i upphovsrättshavarens rättigheter enligt upphovsrättslagen kan medföra straff (böter eller fängelse), skadestånd och beslag/förstöring av olovligt framställt material. Såväl analog som digital kopiering regleras i BONUS-avtalet. Läs mer på www.bonuscopyright.se.
Liber AB, 113 98 Stockholm www.liber.se/kundservice www.liber.se
frank grön Naturkunskap 2
Frank Grön Naturkunskap nivå 2 är framtagen till Gy25 och kan användas både på gymnasiet och i vuxenutbildningen.
Läromedlet är indelat i tre block:
1. Natur och hållbar utveckling
2. Evolution, cellbiologi och bioteknik
3. Människokroppen och hälsa
Blocken består av 11 kapitel och varje kapitel inleds med kunskapsmål och de mest centrala begreppen från kapitlet. Kapitlen delas in i avsnitt som checkar av elevens begreppsförståelse och läsförståelse.
I alla kapitel finns även ett perspektiv som blickar utåt och avslutas med diskussionsfrågor. I slutet av varje kapitel finns en sammanfattning, tankekarta och uppgifter som berör hela kapitlets innehåll.
I Frank-serien ingår även Frank Blå Naturkunskap nivå 1a1 och Frank Gul Naturkunskap nivå 1b.