Kol

Kol

Kol är ett av de viktigaste grundämnena i världen. Utan kol skulle det inte finnas något liv på jorden. Kol är nämligen en viktig byggsten i allt levande.
Vad är kol? S.122
Kemin delades in i två grenar på 1800-talet. Organisk och oorganisk. De organiska ämnena kunde man bara få från djur och växter, t.ex. från muskler och trädstammar. Från början trodde man att de levande organismerna innehöll en nödvändig ”livskraft”, som de använde för att tillverka de organiska ämnena. Först på 1800-talets mitt upptäckte man att ”livskraften” inte var nödvändig. Då hade kemister lyckats att framställa flera olika organiska föreningar i labb utan hjälp av ”livskraften”. Trots det behöll man uppdelningen av kemin i en organisk och en oorganisk del. Man fann en gemensam egenskap hos alla organiska ämnen. De är alla kolföreningar
De enda kolföreningar som av tradition räknas till oorganisk kemi är koldioxid och karbonater. Kol som grundämne räknas också till den oorganiska kemin.

Var finns kol?
Kolföreningar finns nästan överallt i naturen. Dessutom är nästan alla nya ämnen som skapas av kemister i labb kolföreningar.
I luften och vatten finns mest oorganiska kolföreningar. I atmosfären finns gasen koldioxid. Gasen finns också löst i världshaven och i alla sjöar och vattendrag. Koldioxiden har en mycket viktig roll i kolets kretslopp. Den fungerar som råvara när organiska kolföreningar bildas av växter. I bergrunden förekommer kol i bergarten kalksten i form av kalciumkarbonat . den kolföreningen är bildad av fossil, det vill säga av växter och djur som dött ut för många miljoner år sedan. Stenkol, bergolja och naturgas har också bildats av fossil. Stenkol har använts för att värma upp hus i över tusen år. På 1800-talet använde man stenkol som bränsle i ångmaskiner för att värma vatten till vattenånga. Vattenångan skapade ett tryck som fick olika slags maskiner att arbeta. Industrier växte upp som förändrade samhället. Det gäller att spara på de fossila bränslena, eftersom att de inte räcker hur länge som helst och det tar miljontals år att skapa dessa bränslen.
Det finns kol i allt levande. Växter och djur som lever idag skiljer sig inte kemiskt sett från de som levde för miljontals år sedan. En del arter har dött ut andra kommit till, t.ex. människan. Då och nu innehåller en enda liten cell tiotusentals olika ämnen. Om många av dem är kolföreningar.
Idag känner man till minst 13 miljoner föreningar som innehåller kol. Många finss i naturen, men de flesta är tillverkade av kemister. De försöker att utveckla nya läkemedel, plaster och andra ämnen som behövs på olika sätt. Inom kemin är det också viktigt att få fram ämnen som är så lite skadliga för miljön som möjligt.

I atmosfären finns det ungefär 700 miljarder ton kol. I världshaven finns det ungefär 40 000 miljarder ton kol. I bergrunden finns det ungefär 60 000 000 000 miljarder ton kol.En människa innehåller 18 % kol.

Varför finns det så många olika kolföreningar?
Anledningen till att det finns så många kolföreningar är att kolatomerna alltid kan bilda fyra starka bindningar med andra atomer, och de kan binda varandra i långa kedjor eller i stora ringar. Detta kan ske på ett oändligt antal olika sätt. Det finns enkel, förgrenad och ringformad kedja.
Det finns olika sätt att beskriva organiska ämnen. Med en byggsats kan du bygga en molekylmodell. Då får du en förenklad bild hur molekylen ser ut i verkligheten. Ännu mer förenklad är strukturformeln. Den går fort att rita och visar tydligt vilka atomer som finns i molekylen och var de sitter. Summaformeln av ett ämne anger hur många atomer av varje slag som ingår i molekylen.

Kol och väte bildar kolväten
Kolväten består, som namnet säger, bara av kol- och väteatomer. Kolvätekedjorna kan var korta eller långa, oförgrenade, förgrenade eller ringformade. I den så kallade metanserien ordnas kolvätena i storleksordning. Som du ser slutar alla namnen på –an. Denna serie används också som utgångspunkt för att sätta namn på andra, liknande kolföreningar. Alla kolväten är olösliga i vatten. Det beror på att kolvätenas molekyler är opolära, och inte polära som vattenmolekylerna. Regeln lika löser lika gäller. Kolväten blandar sig alltså ed andra opolära ämnen, t.ex. fett eller parafin. Kolväten är energirika ämnen som lätt brinner i luft. Då bildas koldioxid och vatten. Energi frigörs i form av värme.

Kolväte Summaformel Strukturformel Kokpunkt Handelsnamn
Metan CH4 H
I
H C H
I
H -162°C Naturgas, biogas
Etan C2H6 H H

H C C H

H H
-89°C Naturgas
Propan C3H8 H H H

H C C C H

H H H -42°C Gasol
Butan C4H10
0°C Gasol
Pentan C5H12 +36°C Bensin
Hexan
Heptan
Oktan C6H14
C7H16
C8H18 +69°C
+98°C
+126°C Bensin
Bensin
Bensin

 
Vad använder vi kolvätena till?
Hur många kolatomer som finns i ett kolväte bestämmer hur ämnet är, d.v.s. vilka egenskaper ämnet har. Studera de olika kolvätena i tabellen på föregående sida och jämför deras kokpunkter. Som du ser finns det ett samband: ju större molekyler desto mer energi behövs det för att få stora molekyler att övergå från vätska till gas. Det beror på att sammanhållningen mellan molekylerna är starkare ju större molekyler det är. Storleken på molekylen har alltså betydelse för om ämnena är i gasform, vätskeform eller i fast form vid rumstemperatur. De med fler än 16 kolatomer håller ihop i halvfast eller fast form. Exempel på det är paraffin, vaselin och asfalt. Kolväten med 5-15 kolatomer är vätskor, t.ex. bensin och fotogen. De kortaste (lättaste) kolvätena är gaser vid rumstemperatur. Exempel är propan och butan, som ingår i gasol.

Vanliga gaser
Naturgas (fossilgas)finns ofta där det finns olja eller stenkol. den består mest av gasen metan. Och används som bränsle. Ur miljösynpunkt har naturgas flera fördelar framför stenkol, bland annat innehåller den nästan inget svavel.
Gruvgas (metan) finns alltid i jordskopans stenkolslager. När stenkol bryts sipprar gasen fram och kan fylla gruvgångarna. Många kolgruvearbetare har kvävts då gasen trängt undan luften, och otaliga explosionsolyckor har skett när gruvgas har blandats med luft och antänts.
Gasol är en blandning av gaserna propan och butan. Gasol använder vi när vi grillar och för att värma upp t.ex. husvagnar. Att så mycket gasol får plats i så små behållare beror på att det är högt tryck i dem. Det höga trycket gör att gasolen håller sig flytande i behållaren. När gasolen släpps ut ur behållaren blir den till gas igen, blandas med luftens syre och tar lätt eld.
Biogas frmatälls ur komposterade matrester, slakteriavfall med mera. Den består i huvudsak av metan och används bland annat som motorbränsle.
När metanen kommer ut i atmosfären fungerar den som en växthusgas.

Mättade och omättade kolväten
Kolväten i metanserien kallas mättade, därför att de har använt alla sina bindningsmöjligheter runt om, de är ”mätta”. Ibland används inte alla bindningsmöjligheter till att binda andra atomer. Kolatomer binds istället till varandra med två eller tre bindningar. Kolväten med sådana dubbel- eller trippelbindningar mellan kolatomer kallas omättade. Kolväten med dubbelbindning har namn som slutar på –en. Kolväten med trippelbindningar har namn som slutar på –yn. Omättade kolväten reagerar gärna med andra ämnen, t.ex. väte. Om eten reagerar med väte bildas etan, som är ett mättat kolväte.
Eten – viktig råvara för plast.
Eten är en färglös gas som i stor mängd framställs ur bergolja. Eten är den viktigaste råvaran vid tillverkning av organiska ämnen inom den kemiska industrin, speciellt plastindustrin. Med eten som utgångsmaterial tillverkas bland annat lösningsmedel, konstsiden, tyg (polyester), tvättmedel, konstläder, förpackningsmaterial, syntetiskt gummi (bildäck), isoleringsmaterial (skumplast) och plastfolie.

Etyn – användbar vid svetsning.
Etyn är en färglös gas som inom handel kallas för acetylen och förvaras i ståltuber. Acetylen används vid gassvetsning, då gasen får brinna tillsammans med syrgas. Detta ger en svetslåga som är starkt lysande och mycket het. Acetylen är också råvara vid framställning av ett stort antal organiska ämnen.

Från gasol till asfalt s.129
Bergolja (råolja) är en blandning av många olika kolväten. Den anses ha bildats ur mikroskopiska alg- och djurlämingar som sjönk till havsbotten för miljontals år sedan. Lämningarna täcktes av lera och andra avlagringar. Under högt tryck och hög temperatur omvandlades växt- och djurresternas till bergolja och naturgas. Idag kan vi finna olja och gas på stort djup i jordskopan. De kolväten som ingår i råolja har olika höga kokpunkter beroende på molekylernas storlek. Man kan därför skilja dem år genom destillation. Genom uppvärmning förgasas råoljan och leds in i ett destillationstorn där gasblandningen stiger uppåt och avkyls. När temperaturen hos en gas sjunker till ämnets kokpunkt kondenserar ämnet till vätska. Kolväten med de högsta kokpunkterna kondenserar redan i tornets nedersta del, t.ex. de kolvätena som ingår i smörjoljor. Kolväten med kortare kolkedjor och lägre kokpunkter blir vätskor högre upp i tornet. Här kan de tappas av. Exempel är fotogen och bensin. Överst avgår butan och propan i gasform (gasol). Ur bergoljan separeras (avskiljs) alltså flera fraktioner (ingående delar). Separationsmetoden kallas fraktionerad destillation.

Krackning
Produkter som består av långa kolvätekedjor har inte lika stor användning som t.ex. bensin. Man sönderdelar dem därför till kortare molekyler – ”bensinmolekyler” med mellan 5 och 9 kolatomer – på raffinaderiet. Man gör alltså mer bensin ur råoljan. Metoden kallas krackning.
 
Det finns olika slags alkoholer
Det vi till vardags menar med alkohol är alkoholhaltiga drycker. Men alla alkoholhaltiga drycker som brännvin, vin, öl och så vidare, innehåller en och samma alkohol, etanol, löst i vatten tillsammans med andra ämnen. Gruppen alkohol har flera medlemmar och de kan användas på många sätt. De används bl.a. som bränslen, lösningsmedel och som råvaror inom den kemiska industrin. Alkoholmolekylerna har en kolkedja med väteatomer. På den sitter en OH-grupp, hydroxidgrupp. En del alkoholer har två eller flera OH-grupper. Alla alkoholers namn slutar på –ol. Namnens första del kommer från motsvarande kolväte.
Alkoholer med en OH-grupp.
Alkoholerna är ofärgade vätskor. Alkoholmolekylerna avdunstar lätt och vi kan känna deras varierande, ofta skarpa lukt. De flesta alkoholer antänds lätt. Den avdunstade gasen antänds innan den brinnande tändstickan nått ner till vätskeytan. Alkoholer med korta kolkedjor brinner med mycket het, svagt lysande låga och de är energirika. Metanol, etanol och propanol är lättlösliga i vatten. Deras kolvätekedjor är korta och OH-grupperna gör att alkoholerna blir svagt polära. Det gör att de är lösliga i vatten. De längre alkoholmolekylerna har så långa opolära kolvätekedjor att de är olösliga i vatten.

Metanol
Metanol eller träsprit framställdes tidigare i stor skala genoom torrdestillation av trä, därav namnet. Idag framställs den med naturgas som råvara, men även kolet kan användas. Metanol är mycket giftigt. Redan en liten mängs orsakar blindhet, och 30-100 kubikcentimeter (3-10 centiliter) räcker för att döda en människa. Varje år dör tusentals människor i världen för att de druckit metanolhaltig sprit. Att andas in metanolånga är också farligt. Metanol används som lösningsmedel i bland annat lacker. Den är en viktig råvara inom kemisk industri. Metanolens stora energiinnehåll gör att den i framtiden kanske kan ersätta bensin som bränsle.

Etanol
Etanol är den alkohol som vi ofta bara kallar ”alkohol” eller ”sprit”. Jästa fruktsafter mer etanol, det vill säga vin, har använts som dryck och drog sen urminnes tider. Etanol är ett bedövande gift, som snabbt sprider sig i kroppen från mage till tarm. Etanol påverkar hjärnans belöningssystem som gör att man lätt blir beroende av att dricka alkohol. Etanol framställs genom jäsning av socker. Då jästsvampar ”äter” socker får de energi för att leva , växa och föröka sig. Som avfallsprodukt avger jästsvamparna etanol och koldioxid. Efter jäsning kan man få fram ren etanol genom destillation. Då en deg jäser bildas också etanol och koldioxid. Koldioxiden ”lyfter” degen och etanolen avdunstar vid gräddning. Etanol används mycket inom den kemiska industrin som lösningsmedel, men också som råvara inom den kemiska industrin, bl.a. vi framsällning av ättiksyra. Precis som metanol kan etanol användas som motorbränsle. Denaturerad sprit består av etanol som har blandats med giftiga och illasmakande ämnen. Exempel är T-röd, som används som bränsle och som rengörnings- och lösningsmedel, och T-blå som används som spolarvätska i bilar.

Alkoholer med flera OH-grupper
Glykol
Glykol är en färglös, ganska trögflytande vätska som lätt löser sig i vatten. Den är mycket giftig , och även mycket små mängder som man får i dig kan ge svåra skador på nervsystemet och njurar. Bilarnas kylarvätska innehåller vanligtvis glykol. Det motverkar att kylare och motorer fryser sönder. Glykol används också för att ta bort is från flygplan och förhindra isbildning.

Glycerol
Glycerol, som även kallas för glycerin, är en lukt- och färglös, trögflytande vätska. Den är lättlöslig i vatten och smakar sött. Glycerol tar lätt till sig (absorberar) vatten och användas därför ofta i fuktighetsgivande hudkrämer. Den används också vid framställning av nitroglycerin, som är den explosiva delen i dynamit. Nitroglycerin ingår även i viss hjärtmedicin.

En del kolföreningar är syror
De har viktiga uppgifter i alla levande celler, bland annat som byggnadsmaterial. Därför finns organiska syror i allt levande och i vår mat. De smakar ofta surt. Ättiksyra använder vi både som krydda och konserveringsmedel. Andra syror finns i t.ex. filmjölk och i andra syrliga frukter. Om vin får stå en tid surnar det och smakar ättika. Det beror på att alkoholen i vinet oxideras av luftens syre till ättiksyra (etansyra)
De organiska syrorna kallas ofta för karboxylsyror efter sin typiska atomgrupp, karboxylgruppen. Det är den som gör de till syror. Karboxylgruppens väteatom kan avges som en vätejon när syran löser sig i vatten.

Fettsyror
Vissa karboxylsyror ingår som beståndsdelar i fett och kallas därför fettsyror. De kan var flytande eller fasta och är olösliga i vatten. Exempel är smörsyra, stearinsyra och palmitinsyra. Deras kolvätekedjor är mättade, det vill säga de är ”fullsatta” med väteatomer. Men alla fettsyror är inte mättade. Fettsyror är ofta stora molekyler. De visas ofta med förenklad strukturformler.
De så kallade enkelomättade fettsyrorna har en dubbelbindning i kolkedjan. De är i regel flytande vid rumstemperatur. Den ingår som byggsten ibland annat olivolja och rapsolja. Fleromättade fettsyror har mer än en dubbelbindning i sin kolkedja. Hit räknas linol- och linolensyra som ingår i vegetabiliska oljor och lättmargarins fett.

Karboxylsyrornas salter
De organiska syrorna bildar salter på samma sätt som de organiska syrorna. Karboxylgruppens väte kan då bytas ut mot en metalljon. Salternas namn slutar med -at. Tvål är stearinsyrans natriumsalt, natriumsterat. Karboxylgruppens väte är utbytt mot en natriumjon. Na?.
Sterat – både polär och opolär
Sterat är exempel på ett ämne som har en vattenvänlig och en vattenavvisande del. Sådana ämnen kallas tensider. De används i tvål och tvättmedel, eftersom att de kan ”lyfta ut” fett i en vattenlösning.

Så fungerar tensider
Ämnen som består av opolära molekyler, som olja och fett, löser sig normalt inte i vatten enligt regeln lika löser lika. När man skakar en blandning av olja och vatten bildas i stället en så kallad emulsion, det vill säga mycket små fettdroppar som svävar omkring i vattnet. Färgen ät vit som mjölk. Om en sådan blandning får stå en stund slår sig dropparna samman och flyter upp mot ytan. Emulsionen var tydligen instabil. Man ser en tydlig gränsyta mellan oljan och vattnet. Om man i stället skakar fett med en lösning med tvättmedel eller tvål, som innehåller tensider, blir emulsionen stabil. De små dropparna flyter inte längre samman då då de kolliderar, och emulsionen behåller sin vita färg. Tensider sänker också vattnets ytspänning, så att tvättmedlet tränger djupare in i tyget. Man säger att tensider är ytaktiva.

Estrar ger lukt och smak åt frukt
Då en alkohol reagerar med en karboxylsyra bildas en ester. Reaktionen sker långsamt. Om man tillsätter lite koncentrerad svavelsyra går reaktionen snabbare. Svavelsyran fungerar då som en katalysator.
En katalysator är ett ämne som man tillför för att en kemisk reaktion ska påskyndas. En katalysator förbrukas inte.
Många estrar luktar gott. Estrar har ofta en behaglig doft. Små mängder av olika estrar ger frukt frukter seras typiska smak och lukt. Exempel är hallon-, äpple-, päron-, och ananassmak. Estrar framställs också på konstgjord väg och används för att sätt smak på till exempel glass, karameller och läskedrycker. Andra estrar används som lösningsmedel i t.ex. nagellack och snabbtorkande lim.

Kolets kretslopp i naturen
På grund av kolatomernas speciella egenskaper kom den att bli den v...