KOSMOS GRUNDBOG B ERIK BOTH HENNING HENRIKSEN

Transkript

1 KOSMOS GRUNDBOG B ERIK BOTH HENNING HENRIKSEN

2 Indhold Sol, Måne og stjerner 6 Himlen er over os Solsystemet 1 Jorden og Månen 16 Formørkelser og tidevand 0 Cafe Kosmos: Truslen fra rummet 4 Magnetisme Magneter 30 Magneter og elektrisk strøm 35 Anvendelse af magnetisme 40 Målemetoder i fysik 43 Cafe Kosmos: Hjertestarteren 46 Energi 50 Energiens mange former 5 Energibevarelse og varme 55 Energi i samfundet 5 Energiforbrug 61 Cafe Kosmos: Krop og energi 64 Lyd og lys 6 Lyd 70 Lys 74 Anvendelser af lys 79 Anvendelser af lyd 3 Cafe Kosmos: Alle regnbuens farver 6

3 Luft 90 Nitrogen og oxygen 9 Carbondioxid, CO 96 Hydrogen 99 Ædelgasserne og kemisk binding 10 Cafe Kosmos: Kan kæmpeinsekterne komme igen? 106 Metaller og ioner 110 Metaller og legeringer 11 Metalteknologi 116 Ioner 10 Metallerne udvinding og genbrug 14 Cafe Kosmos: Guld til nytte og til pynt 1 Syrer og baser 13 Syrer og baser 134 Syrer, ph og neutralisation 13 Katalysatorer og enzymer 14 Farlige stoffer 145 Cafe Kosmos: Syre i maven 14 Global miljøkemi 15 Fossile brændstoffer og biogas 154 Carbon-kredsløbet 15 Luftforurening og ozon 16 Drivhuseffekt og klimaændringer 166 Cafe Kosmos: Graffiti på himlen 170 e 5 P 33 As 16 S g/l sphor Sv 5 = 44, C = 119 C T k = 0 C T k = 445 C T = 3 k d =,34 g/cm 3 d =,07 g/cm 3 d =,95 g/l Arsen Selen Brom K T : sublimerer = 1 C = 7, C = 157 C 14 C T k = 65 C T k = 5, C T k = 153 C m 3 d = 4,79 g/cm 3 d = 3,1 g/cm 3 d = 3,4 g/l Tellur Iod Xenon = 114 C = C T k = /cm 3 d = 34 Se 35 Br Te 53 I 36 Kr 54 Xe Stikord 174 Litteratur 176 Fotoliste 177 Det periodiske system 17

4 Forord Fra kaos til KOSMOS Naturvidenskabelig forskning drejer sig om at forstå verden. Ved at undersøge naturen får forskerne viden fx om opbygning af Solsystemet, om jordmagnetismen, om stoffets mindste bestanddele og om kemiske processer. Denne viden gør det muligt at forudsige, hvad der vil ske i bestemte situationer, der spænder så vidt som forudsigelser af tidspunktet for kommende solformørkelser og produkterne ved nye kemiske processer. Ved at lave eksperimenter spørger forskerne naturen. Og naturen giver et svar, der kan anvendes bl.a. til gavn for samfundet. I den anden bog i fysik- og kemisystemet KOSMOS er der både traditionelle og mere moderne emner. I fysik lærer man bl.a. om lyd og lys, om elektriske og magnetiske kræfter og om energi. I kemi lærer man om de kemiske stoffer i luften, om metallerne og om syrer og baser. Globale miljøproblemer behandles med dagsaktuelle emner som klimaændringer, forureningsbekæmpelse, genbrug og en bæredygtig energiforsyning. Astronomien behandler Universets og Solsystemets opbygning. I astronomi sættes vores tilværelse i perspektiv ved at betragte hændelser med en tidshorisont, der er langt, langt større end et menneskeliv. Samlet dækker kapitlerne de krav, der stilles til undervisningen i fysik/kemi. Cafe Kosmos artiklen i kapitel, Hjertestarteren er skrevet af overlæge, dr.med. Steffen Helqvist, Rigshospitalet. Fysik- og kemisystemet KOSMOS har en hjemmeside, med et væld af digitale ressourcer. Hjemmesiden indeholder bl.a. videoer af grundbogens eksperimenter, animationer, illustrationer og opgaver, der støtter undervisningen i fysik/kemi. 4

5 Sådan bruges bogen Appetitvækker Hvert kapitel indledes med en appetitvækker, hvor I kan læse en kort tekst om emnet. I appetitvækkeren findes også en række spørgsmål, der besvares i kapitlet. Grundbogens tekst I kan læse hvert kapitel som en sammenhængende tekst. På den måde kommer I gennem emnet på en overskuelig måde. I kan også vælge at bruge bogen som opslagsbog, efterhånden som I laver øvelser og eksperimenter. Nyttige oplysninger og sidehistorier Mange steder i bogen er der oversigter med forklaringer over de faglige ord, der bruges. Der er også små historier om fx opfindelser, videnskabsmænd eller moderne forskning. Eksperimenter og andre aktiviteter I kopimappen findes mange forskellige øvelser til hvert kapitel. I grundbogen findes også vejledninger til eksperimenter, som klassen kan lave sammen. Efter mange afsnit er der en lille rød trekant med en henvisning til øvelser, der passer til netop dette sted i teksten. Ikonet fortæller, at der er video af eksperimentet på hvis skolen har købt abonnement. Videoen giver mulighed for eleverne til at se eksperimentet igen. Cafe Kosmos Cafe Kosmos er artikler om forskellige emner inden for fysik, kemi og astronomi. Her kan I finde ny viden især om praktiske anvendelser af naturvidenskaben. I denne bog fortæller Cafe Kosmos om så forskellige emner som hjertestartere, guld og forurening fra jetfly. Det ved du nu Til sidst i hvert kapitel findes en oversigt over, hvad I nu ved efter at have læst kapitlet. Prøv dig selv Når I skal finde ud af, hvor meget I har lært, kan I bruge siden Prøv dig selv. Ved at svare på spørgsmålene og arbejde med udfordringerne bliver det tydeligt, hvor meget I har lært. God fornøjelse med KOSMOS. Erik Both Henning Henriksen 5

6 Sol, Måne

7 og stjerner HIMLEN OVER OS SOLSYSTEMET JORDEN OG MÅNEN FORMØRKELSER OG TIDEVAND CAFE KOSMOS: TRUSLEN FRA RUMMET I gamle dage kunne man ikke forstå, hvorfor Solen en sjælden gang formørkedes, så det blev mørkt et par minutter midt på dagen. Man kunne heller ikke forstå, hvorfor Månen skiftede form, og hvorfor alle stjerner bevægede sig i cirkelbaner omkring Nordstjernen. Nu kan alt dette forklares. Kapitlet beskriver vores plads i Solsystemet og i Universet. Kapitlet fortæller om Solen, om Månens faser og om stjernernes bevægelse. Tidevand, sol- og måneformørkelser forklares. Men kapitlet stiller også spørgsmål. Er der langt borte planeter som vores egen jordklode? Kan Jorden blive ramt af et stort himmellegeme? Hvad er et stjerneskud? Hvordan kan man finde ud af, at Jorden er rund? Hvad er et stjernebillede? Hvad er en meteor? Hvorfor er der tidevand? 7

8 SOL, MÅNE OG STJERNER Himlen over os Kigger man om natten op mod himlen, kan man uden kikkert se mere end tusind lysende prikker. Er Månen ikke fremme, og har man været længe ude, så øjnene er vænnet til mørket, kan man se endnu flere. Om vinteren over to tusind stjerner. Men med gode kikkerter bliver det tal langt, langt større. I hele Universet er der så mange stjerner, at deres antal skal skrives som et tal med omkring 0 cifre! På billedet af nattehimlen har kameraet været åbent i fire timer. Stjernerne bevæger sig rundt i cirkelbuer, der alle har samme centrum Dette centrum ligger meget tæt ved Nordstjernen. Hvis stjernerne var synlige om dagen, ville man se, at hele turen rundt i cirklen tager et døgn. Stjernernes bevægelse Om natten kan man se, at stjernerne bevæger sig i cirkler på himlen. Om dagen bevæger Solen sig på samme måde. Solen er nemlig også en stjerne. Den er bare tættere på os. Der findes milliarder af stjerner, der er helt som vores sol. I meget gamle dage mente man, at Solen og stjernerne bevægede sig rundt om Jorden. Man troede, at det var højere magter, der styrede deres bevægelse. I dag ved vi, at bevægelsen hen over himlen skyldes, at Jorden drejer omkring sig selv. Solen og stjernerne flytter sig ikke. Det ser bare ud, som om de flytter sig. Her fra Jorden ser det ud, som om stjernerne bevæger sig i en cirkelbevægelse med centrum ved Nordstjernen. Det skyldes, at Jorden drejer om en akse, der går gennem Nord- og Sydpolen. Og Nordstjernen ligger på denne akse. En tur hele vejen rundt i cirklen varer et døgn, fordi en hel omdrejning af Jorden varer et døgn. Nordstjernen flytter sig ikke, men alle andre stjerner bevæger sig. Står man på Nordpolen, vil Nordstjernen stå lige over hovedet. Man siger, at Nordstjernen her står i zenit. Det punkt på himmelkuglen, der er lodret over et bestemt sted, kaldes nemlig zenit. Jorden roterer En tur rundt om Jorden ved Ækvator er på km. På et døgn har en person på Ækvator altså flyttet sig km. Farten er derfor næsten 1700 km/t. Det er dobbelt så hurtigt, som et jetfly bevæger sig. Her i Danmark er farten lavere, omkring 950 km/t. Drejer du på en globus, vil du opdage, hvorfor vi her i Danmark ikke bevæger os så hurtigt som folk ved Ækvator.

9 SOL, MÅNE OG STJERNER Æ K V AT O R Altair SVANEN Vega ANDROMEDA M31 Deneb CASSIOPEIA Capella Nordstjernen LILLE BJØRN Castor Pollux STORE BJØRN (KARLSVOGNEN) E K L I P T I K A Rigel Aldebaran Bellatrix ORION Betelgeuze TVILLINGERNE Procyon Stjernene på den nordlige halvkulge Stjernekortet viser himlen, med Nordstjernen i centrum. Karlsvognen, Orion og Cassiopeia er de mest kendt stjernebilleder. De er også de nemmeste at finde. Det tågede bånd er Mælkevejen. Det er en såkaldt galakse. Dette navn stammer fra det græske ord for mælk. Mælkevejen kan nemlig med god fantasi ligne spildt mælk. Arcturus LØVEN Regulus Det er underligt at forestille sig, at Jorden roterer, uden at vi mærker den høje fart. Kører man i en bil med konstant fart, mærker man heller ikke, hvor hurtigt der køres. Man kan kun mærke ændringer i farten. I gamle dage kunne man ikke forestille sig, at man kunne bevæge sig så hurtigt uden at mærke det. Derfor troede man, at det var Solen og stjernerne, der flyttede sig. Stjernebilleder Kigger man op på himlen, ser stjernerne ud til at sidde i et fast mønster. Afstandene mellem stjernerne ændrer sig ikke. Derfor kaldes stjernerne også fiksstjerner. Det betyder faste stjerner, der ikke ændrer deres plads i forhold til de andre stjerner. Grupper af kraftigt lysende stjerner, der ligger tæt ved hinanden, har fået navne efter især dyr. Men fantasien skal være Astrologi I gamle dage troede man, at Solens og planeternes bevægelse havde betydning for hændelser her på Jorden. Det blev kaldt astrologi. Der findes stadig overtroiske mennesker, der mener, at det stjernebillede, der var lige bag Solen, det øjeblik de blev født, har betydning for, hvad der sker dem senere i livet. Astrologernes 1 stjernetegn er navnene på de stjernebilleder, der for 000 år siden var bag Solen i årets 1 måneder. 9

10 SOL, MÅNE OG STJERNER Et lysår Astronomerne benytter en særlig enhed for længde, nemlig et lysår. Det er den strækning, lyset bevæger sig på et år. 1 lysår er km eller 9, km. Afstanden til Månen er lille i denne enhed. Kun 4 10 lysår eller 0, lysår. Det kan også skrives som 1,3 lyssekund. En laserstråle fra Jorden er altså 1,3 sekund om at nå op til Månen. Afstanden til den nærmeste stjerne er 4,3 lysår. Med moderne teleskoper kan man se ud til stjernetåger, der ligger 13 milliarder lysår væk. Det er ca m. Universet er meget stort. Mælkevejen Om vinteren kan man på klare nætter se et tåget bånd strække sig hen over himlen. Det er Mælkevejen, en samling af flere milliarder stjerner. Vores sol er blot en af Mælkevejens mange stjerner. Fordi alle stjerner i Mælkevejen ligger i et fladt område, ses Mælkevejen som et bånd på himlen. Det er helt på samme måde som det flade solsystem. Billedet viser en fjern galakse. Sådan ville Mælkevejen se ud, hvis man så på den fra en anden galakse langt borte i Universet. god, hvis man på himlen skal finde en lille bjørn, en svane eller en løve, som er nogle af de dyr, der har givet navn til stjernebilleder. I Danmark kan man se godt 60 stjernebilleder. Mest kendt er Karlsvognen, der er en del af Store Bjørn. Andre kendte stjernebilleder er Cassiopeia og Orion. Der er meget langt ud til stjernerne. Fra de nærmeste stjerner har lyset været mere end fire år undervejs til os. Fra de fjerneste synlige stjerner har turen varet omkring tusind år. Det er altså lys fra gamle dage, der stråler ned til os på en vinternat. Vi ser ikke disse stjerner, som de ser ud i dag, men som de var for tusind år siden. Lyset fra stjernerne bevæger sig hurtigt. I Kosmos Grundbog A blev fortalt, at lyset bevæger sig med farten km/s. Kunne man sende en lysstråle rundt om Jorden, ville strålen kunne nå mere end syv gange rundt på bare et sekund. Kopiark 1.1 og 1. Planeternes bevægelse Fiksstjernerne sidder på faste pladser på himlen. Fotograferer man himlen med et par dages mellemrum, vil man opdage, at nogle lysende prikker ikke sidder på faste pladser. Det er planeterne. Ordet planet betyder vandrestjerne. Planeterne lyser, fordi Solen skinner på dem. Planeterne flytter sig med forskellig fart på himlen. De fjerneste planeter bevæger sig kun langsomt i forhold til stjernerne. Alle syv planeter ser ud til at bevæge sig næsten i samme bane på himlen. Det skyldes, at Solsystemet er næsten helt fladt. Solen sidder i midten af Solsystemet, og alle planeter bevæger sig rundt om Solen i baner, der er ellipser. En ellipse er en fladtrykt cirkel. Alle planeter ligger i et fladt område, dvs. i samme plan. Den kaldes ekliptika. Jordens bevægelse Jorden er også en planet. Den bevæger sig derfor i samme plan som de andre planeter. Set fra Jorden bevæger Solen sig også rundt i ekliptika. Den tur varer nøjagtig et år. Man kan naturligvis ikke se stjernerne, mens Solen er på himlen. Solens lys er for kraftigt. Men kender man både stjernekortet og Solens bevægelse om dagen, kan man ud fra nattehimlen beregne Solens position i ekliptika. Så kan astrono- 10

11 SOL, MÅNE OG STJERNER EKSPERIMENT Tegn en planetbane Planeterne bevæger sig ikke i cirkelbaner, men følger ellipser, der er fladtrykte cirkelbaner. Tegn planetbaner på gulvet i klassen eller i skolegården. Benyt en snor, hvis ender er bundet sammen. Snoren lægges stramt rundt om to faste punkter. Det kan være to pinde, der holdes fast. Når et stykke kridt anbringes ved snoren, så de to dele af snoren er stramme, kan man tegne en ellipse. Hvis snorens samlede længde er 6,0 m, og afstandene mellem pindene er 10,0 cm, får ellipsen form som Jordens bane. Solen befinder sig ved den ene af pindene. Jorden har her størrelse som en lille appelsin. Skal man vise Mars bane, skal snoren være 9,0 m og afstanden mellem pindene 4 cm. Mars bane er mere fladtrykt end Jordens. Man skal have et godt øjemål for at se, at banerne for Jorden og Mars ikke er cirkler. Måler man banens diameter forskellige steder, vil man opdage, at der ikke er tale om en cirkel. Hvis snorlængden er 6,0 m og afstanden mellem pindene er,7 m, får man en ellipse i stil med den bane en komet (se side 14) vil følge. merne helt præcist bestemme det stjernebillede, der ligger lige bag Solen. Vores sol ligger i udkanten af Mælkevejen, og de stjerner, der kan ses på himlen, er andre sole, der ligger tæt ved os i Mælkevejen. De ligger i det flade område, men lidt over eller under Solen. Når man kigger på langs ind i Mælkevejen, ses mange stjerner. De danner det tågede bånd på himlen. En galakse er en samling af mange stjerner. Mælkevejen er det danske ord for vores galakse. Der findes milliarder af galakser. De nærmeste af dem kan ses med en almindelig kikkert, men de fjerneste kan kun ses med et stort teleskop. Fra nogle galakser har lyset været 13 milliarder år om at nå frem til os. Det er længe siden, for Solen og Jorden blev først dannet for 4,5 milliarder år siden. Kopiark 1.3 Nyttige oplysninger Solen er en stjerne blandt milliarder af andre i Mælkevejen. På nattehimlen er der fiksstjerner. De sidder i et fast mønster, de såkaldte stjernebilleder. Mælkevejen, der ses som et tåget bånd på himlen, består af milliarder af stjerner. Solen ligger i udkanten af Mælkevejen. Planeter er himmellegemer, der bevæger sig rundt om Solen i ellipseformede baner. Planeterne flytter sig på nattehimlen tæt på en linje, der kaldes ekliptika. 11

12 SOL, MÅNE OG STJERNER Solsystemet Solsystemet består af Solen, otte planeter, et par dværgplaneter samt af mange kometer og asteroider. Solen sidder midt i Solsystemet. Det er tiltrækningskraften fra Solens store masse, der holder planeterne og de andre himmellegemer i deres baner. Og det er strålingen fra Solen, der er årsag til, at der findes liv på vores planet, Jorden. I en brintbombe sker der samme proces som i Solens indre. Hydrogen omdannes til helium. I kemiske processer forsvinder grundstofferne ikke. Men er temperaturen meget høj, kan der foregå processer, hvor to atomkerner smelter sammen, og danner et nyt grundstof. Samtidig udvikles der megen energi i form af varme. Solen Solen blev dannet for 4,5 milliarder år siden. Og den vil lyse i endnu ca. 5 milliarder år. Solen består næsten udelukkende af de to luftarter hydrogen og helium. Solen lyser, fordi hydrogen omdannes til helium. Den proces frigiver megen energi. Når alt hydrogen i Solens indre er brugt op, vil den først svulme voldsomt op. Derefter vil den trække sig sammen og blive til en såkaldt hvid dværg. Den bliver kold og vil ikke længere lyse. Det har astronomer fundet ud af ved at se på mange andre sole, dvs. stjerner. Alle stjerner med en størrelse som vores sol udvikler sig nemlig på samme måde. I Solens centrum er der meget varmt, omkring 16 millioner C. På overfladen er temperaturen 5500 C. Her er der ofte små områder, hvor temperaturen er lidt lavere end på resten af overfladen. Disse områder kaldes solpletter, fordi de ser mørkere ud end resten af Solen. Følger man solpletternes bevægelse gennem nogle dage, kan man se, at pletterne flytter sig. Det er Solen, der roterer. Solen har en rytme på ca. 11 år. Det betyder, at antallet af solpletter stiger og falder. Omkring 011 vil der være mange solpletter. Omkring 016 vil der være få. Kopiark 1.4 De otte planeter Der kredser otte planeter om Solen. Planeterne er Merkur, Venus, Jorden, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun. Indtil 006 var der ni planeter med Pluto som den yderste planet. Nu bliver Pluto kaldt en dværgplanet. De planeter, der ligger tæt ved Solen, er kun kort tid om en rundtur. Merkur bruger kun dage for at komme rundt om Solen, mens den fjerneste planet, Neptun, bruger 164 år. 1

13 SOL, MÅNE OG STJERNER EKSPERIMENT Solpletter I et mørklagt lokale er det muligt at se solpletterne. En prismekikkert eller bedre en astronomisk kikkert sigter mod Solen. Kig ikke mod Solen gennem kikkerten, men brug kikkertens skygge til at se, om retningen er rigtig. Et par meter bag kikkerten kan man på en skærm eller en væg se et stort billede af Solen. Tegn solpletterne og omridset af Solen. Gentag målingen et par dage senere. Forsøg på den måde, at bestemme Solens omløbstid. Den amerikanske rumfartsorganisation, NASA, har en satellit, SOHO, der observerer Solen. Sammenlign klassens billede af Solen med SOHO s optagelser, der kan findes på nettet. Solen har ikke den samme omløbstid overalt. Ved Solens ækvator vil en solplet have en omløbstid på ca. 5 døgn, mens omløbstiden i nærheden af Solens poler vil være omkring 35 døgn. Solen er altså ikke et fast legeme ligesom Jorden og Månen. Dværgplaneterne (der er i 00 kun fire) er runde himmellegemer, der ikke er store nok til at blive kaldt rigtige planeter. Pluto har tidligere været en planet, men er nu en dværgplanet. Den ligger længere væk fra Solen end Neptun. Kopiark 1.5, 1.6, 1.7, 1. og 1.9 Asteroider Asteroider er små himmellegemer, der findes i området mellem Mars og Jupiter. De består af sten, men er ikke kugleformede. Der findes antagelig mere end 1 million asteroider, der er større end 1 km i udstrækning. Den største er omkring 500 km. Den er altså lidt større end Danmark. Astronomerne holder omhyggeligt øje med mange asteroider. Hvis en asteroide støder ind i eller bliver påvirket af tyngdekræfter fra andre himmellegemer, vil den få en ny bane. Skulle den komme så langt ud af kurs, så den får retning mod Jorden, har vi et problem. PAS PÅ SOLEN Det er meget farligt, at se direkte på Solen. Kigger man bare et sekund direkte på Solen, kan det betyde delvis blindhed resten af livet. Øjets linse virker som et brændglas, der opvarmer øjets bagvæg meget kraftigt. 13

14 SOL, MÅNE OG STJERNER Kometen Hale-Bobb var et flot syn på himlen i Dens bane er meget aflang. Først om ca. 400 år vender den tilbage. Musik i rummet Voyager-rumskibene bringer lydoptagelser fra Jorden med ud i rummet. Så hvis rumskibene om 100 millioner år skulle blive fundet eller fanget af nogle rumvæsner, vil de bl.a. kunne høre hilsner fra Jorden på 60 forskellige sprog, musik fra en symfoni af Beethoven, fuglekvidder og hvalers sang. Rumvæsnerne vil da kunne få et indtryk af livet på Jorden mange millioner år tidligere. Stjerneskud Stjerneskud opstår, når små sten fra himmelrummet kommer ind i Jordens atmosfære. Her bliver de bremset op. De bliver glødende og fordamper. Hvis en større sten, en meteor, rammer Jordens atmosfære, brænder den måske ikke helt op. Den kaldes nu en meteorit. Der falder omkring et par hundrede meteoritter ned på Jorden hvert år. Men man skal være meget heldig for at finde en meteorit. De fleste falder i havet, der udgør 71 % af Jordens overflade. Der ligger mange meteoritter i jorden rundt i Danmark. Men de er svære at få øje på, fordi man nemt kan tro, at de bare er almindelige sten. Der faldt to små meteoritter ned i Århus i Tilsammen var deres masse omkring 700 gram. For nogle milliarder år siden, da Solsystemet var ungt, var der langt flere himmellegemer. Jorden og Månen blev tit ramt. Da der senere kom liv på Jorden, fik sådanne træffere voldsomme konsekvenser. Flere gange er mange dyre- og plantearter pludselig forsvundet, antagelig efter at en komet eller asteroide har ramt Jorden. Kopiark 1.10 Kometer Kometer er himmellegemer, der bevæger sig i meget aflange baner. En komet kommer med regelmæssige mellemrum en tur ind omkring Solen. Her bevæger den sig hurtigt rundt om Solen. Derefter tager den en tur langt ud i Solsystemet, hvor den vender om. Den mest kendte komet er Halleys komet, der blev set første gang for 00 år siden. Den kommer med 76 års mellemrum ind forbi Solen. Den kunne i 196 ses på nattehimlen med en lang hale af fordampet stof. Udforskning af planeterne I 1957 startede rumalderen med opsendelsen af en lille satellit, Sputnik. Senere, i 1977, blev to Voyager-rumskibe sendt op. De nåede Jupiter i 1979 og godt et år senere fløj rumskibene forbi Saturn. Voyager-rumskibene har nu forladt Solsystemet. Først om mere end 100 millioner år, kommer de i nærheden af en stjerne og måske et andet solsystem? 14

15 SOL, MÅNE OG STJERNER En tur til Mars og Saturn Der er senere sendt adskillige rumskibe ud i Solsystemet for at udforske planeterne. To små fjernstyrede biler har i flere år kørt rundt på Mars. Omkring Saturn kredser en rumsonde, Cassini, der foretager målinger af bl.a. Saturns ringe og mange måner. Merkur Solen Venus Saturn Exoplaneter I 1995 fandt astronomer den første planet uden for vores solsystem. Planeten kredser omkring en anden stjerne, dvs. omkring sin egen sol. Indtil 00 er der fundet omkring 300 planeter i andre solsystemer. De kaldes exoplaneter. Antallet af kendte exoplaneter vil stige kraftigt de kommende år. Der er indtil 00 fundet fire planeter, hvor størrelsen og temperaturen er omtrent som på Jorden. Når astronomerne de kommende år får flere kikkerter i rummet og endnu bedre teknik, vil der bestemt komme spændende nyheder om planeter i fjerne solsystemer. Kan der mon være liv andre steder end på Jorden? Månen Jorden Uranus Mars Jupiter Jupiter Verdens centrum? I gamle dage troede man, at Jorden var centrum for hele Universet. Solen, Månen og stjernerne bevægede sig jo rundt om Jorden. I dag ved vi, at det er Jorden, der bevæger sig om Solen. Og Solen er heller ikke centrum i Universet. Solen er bare en stjerne i udkanten af Mælkevejen. Fortidens mennesker kunne ikke forestille sig andet, end at Jorden var centrum, og at alt på himlen drejede sig rundt om Jorden. Det kaldes det geocentriske verdensbillede (geo kommer fra det græske ord for Jorden). For over 00 år siden havde græske naturfilosoffer sagt, at Solen var centrum for Jordens årlige bevægelse, og at Jorden drejede om sig selv. Men dette heliocentriske verdensbillede (helios er det græske ord for Solen) blev hurtigt glemt. Alle kunne jo med egne øjne se, at det ikke var rigtigt. Astronomen Nikolaus Kopernikus var den første, som i 1543 igen påstod, at Solen sad i centrum, og at Jorden kredsede om Solen. Først i 13 var kikkerterne blevet så gode, at alle kunne se, at Solen var i centrum. Venus Merkur Solen Jorden Månen Saturn Mars Neptun Det geocentriske verdensbillede, som alle troede på i meget gamle dage, har Jorden i centrum. Udenom kredser Solen, planeterne og stjernerne. I dag ved vi, at det heliocentriske verdensbillede er det rigtige. Her kredser Jorden sammen med de andre planeter omkring Solen. 15

16 SOL, MÅNE OG STJERNER 3,5 N N S S F Solen V N S E N S S Det er vinter i Danmark, når Jorden på sin tur rundt om Solen er til højre ved V. Et halvt år senere, når Jorden er ved S, har vi sommer. Jordens tur rundt om Solen varer 365,4 døgn. Hvert fjerde år, i skudåret, tilføjes en ekstra dag i kalenderen. På den måde undgås, at der om rigtig mange år vil blive sommer fx i december. Data for Solen, Månen og Jorden Solens masse Solens radius Jordens masse Jordens radius Månens masse Månens radius Jordens omløbstid om Solen Månens omløbstid om Jorden Jordens afstand fra fra Solen Månens afstand fra Jorden 1, kg 6,96 10 m 5, kg 6, m 7,35 10 kg 1, m 365,4 døgn 7,3 døgn 1, m 3,4 10 m Jorden og Månen Jorden bevæger sig i en næsten cirkelformet bane omkring Solen. Turen rundt om Solen varer et år. Jorden drejer også om sig selv. På et døgn drejer Jorden sig en omgang om sin akse gennem Nordpolen og Sydpolen. Men Jordens akse ligger lidt skævt i forhold til den bane, Jorden følger rundt om Solen. Det betyder, at vi får årstider. Det betyder også, at der højt mod nord, fx i Nordnorge, er områder, hvor der kan være midnatssol. Her går Solen slet ikke ned om sommeren, men er på himlen døgnet rundt. Jorden på tur om Solen Jordens afstand til Solen er næsten ens hele året rundt. Det er derfor ikke afstanden til Solen, der er årsag til, at vi har årstider. På figuren ses, at Jordens omdrejningsakse ikke er vinkelret på den plan, som Jorden bevæger sig i på turen rundt om Solen. Omdrejningsaksen hælder 3,5. Til venstre på tegningen ved S falder lyset fra Solen vinkelret ned på Jorden nord for Ækvator. Så har vi sommer i Danmark. Yderst til højre ved V falder sollyset vinkelret ned på Jorden syd for Ækvator. Så er der vinter i Danmark. Om vinteren kommer Solen i Danmark ikke så højt på himlen. Derfor er det koldt. Solen giver os mest varme, når den er højest på himlen, og det er den om sommeren. Men det er ikke den eneste grund til årstidernes skiften. Dagens længde betyder også meget. 16

17 SOL, MÅNE OG STJERNER EKSPERIMENT Årstiderne Det er varmere om sommeren end om vinteren, fordi dagene er længere, og fordi Solens lys falder mere lodret ned på os. I et mørklagt lokale kan årstidernes skift vises med en globus og en kraftig lampe. Når lyset fra lampen rammer vandret ind mod globussen på tegningen, vil der være sommer i Danmark. Flyt globussen over på den modsatte side af lampen. Nu er det vinter i Danmark. Drej nu Jorden på globussen en omgang. Læg mærke til, om Danmark ligger i lys eller i skygge. Ved at se på, i hvor stor en del af en omdrejning Danmark ligger i skyggen, kan man finde nattens længde. Prøv også at bestemme nattens længde på det sted af banen, hvor der er vinter i Danmark. Nord for en bestemt breddegrad vil der slet ikke være solskin om vinteren. Denne breddegrad kaldes polarcirklen. Undersøg, om der er steder i Sverige, hvor det er mørkt døgnet rundt. På tegningen ses også, at der ved V, dvs. når det er vinter i Danmark, slet ikke kommer solskin på den øverste del af den nordlige halvkugle. Her er det derfor nat døgnet rundt. Yderst til venstre ved S, dvs. når det er sommer i Danmark, er der solskin hele døgnet højt oppe på den nordlige halvkugle. Der er midnatssol. På selve Nordpolen er Solen oppe hele døgnet i et halvt år. Også i Danmark er der forskel på dagens længde. Om sommeren er Solen på himlen i længere tid end om vinteren. Det medvirker til, at temperaturen bliver højere om sommeren. Når Jorden er ved E og F, er dag og nat lige lange. De to dage om året, hvor det sker, kaldes jævndøgn. Der er jævndøgn omkring 1. marts og omkring 3. september. Lige inden sankthansaften, 1. eller. juni, er natten kortest. Det kaldes solhverv eller sommersolhverv. Et halvt år senere, omkring 1. eller. december, er dagen kortest. Så er der også solhverv, men denne gang vintersolhverv. Kopiark

18 SOL, MÅNE OG STJERNER Nymåne Halvmåne Fuldmåne Halvmåne Fuldmåne og nymåne Månen bevæger sig rundt om Jorden, og undervejs skifter den udseende. Ved fuldmåne ses den som en cirkelskive. Omkring nymåne er den ganske tynd. Ser man godt efter, kan man dog se, at hele Månen stadig er der; blot er der ikke sollys på den manglende del. Der går 9,5 dage mellem to fuldmåner. Månens bjerge og have På Månen er der bjerge og kratere. De ringformede bjerge består af det materiale, der er kastet op, når meteoritter har ramt Månen. Der er også store, flade områder, der kaldes have. De er dannet af smeltet lava, der kan være opstået, når meget store meteoritter har ramt Månen. Der er herved sket en opvarmning, så månematerialet er smeltet og har oversvømmet de nærliggende områder. Månens overflade er nærmest ørkenagtig. Den består især af sten. De fleste er meget små, helt som sand på Jorden. Disse sten i alle størrelser er resultatet af flere milliarder års meteoritnedslag. Da der ikke har været flydende vand eller en atmosfære på Månen, er de knuste materialer blevet liggende, hvor de er faldet ned. Nymåne I toppen af dette billede af Månen ses mange kratere. De flade områder kaldes have. De består af størknet lava, som har oversvømmet det tidligere område med bjerge. I havene ses enkelte kratere, der er opstået, efter at lavaen er størknet. 1

19 SOL, MÅNE OG STJERNER Månevandring, Apollo 16, 197. xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx Månens oprindelse? Der er flere forskellige teorier om Månens oprindelse. Den mest sandsynlige er, at Månen er et stykke af Jorden, der er slået af efter et sammenstød med en meget stor asteroide eller en lille planet på størrelse med Mars. Dette sammenstød er antagelig sket kort tid efter Jordens dannelse. I starten bevægede Månen sig tæt ved Jorden, men den har i tidens løb flyttet sig længere bort. Denne teori støttes af, at stofferne på Månen ligner stofferne på Jorden. Man kan også se, at der har været meget varmt, da Månen blev dannet. Man regner med, at Månen kort efter sin dannelse var dækket af et flere hundrede kilometer tykt hav af smeltede stoffer. En lang række stoffer, der nemt kan fordampe, findes nemlig ikke på Månen. Nyttige oplysninger Jorden bevæger sig i en ellipseformet bane om Solen. En tur rundt varer et år. Månen bevæger sig i en ellipseformet bane om Jorden. Der går 9,5 døgn mellem to fuldmåner. Ved jævndøgn er dag og nat lige lange. Ved vintersolhverv har man den korteste dag i året. Ved sommersolhverv har man den korteste nat i året. 19

20 SOL, MÅNE OG STJERNER Jorden Månen Tegningen viser det rigtige størrelsesforhold mellem Jorden og Månen. Skulle Solen være med på tegningen, ville den være en kugle med en diameter på 5 cm. Og den skulle ligge 6 m borte! Jorden Månen Solen Kerneskygge En måneformørkelse kan ses på natsiden af Jorden, når fuldmånen er i skyggen bag Jorden. Formørkelser og tidevand Månen skifter hele tiden udseende fra nymåne til fuldmåne. Men undertiden kan fuldmånen blive helt mørk et kort stykke tid. Den formørkes. Også Solen kan blive formørket. Måneformørkelse På den side af Jorden, hvor der er nat, strækker Jordens skygge sig langt ud i rummet. Når hele Månen bevæger sig ind i skyggen kommer der en total måneformørkelse. Andre gange er det kun noget af Månen, der bevæger sig ind i skyggen. Så kommer der en partiel måneformørkelse. Partiel betyder delvis. Måneformørkelser er sjældne, for ved de fleste fuldmåner bevæger Månen sig slet ikke ind i skyggen. Månen passerer over eller under skyggen. Der kan i gennemsnit ses en total måneformørkelse hvert andet år i Danmark. Men der er flere måneformørkelser. Halvdelen af formørkelserne foregår, mens det er dag i Danmark, så de kan kun ses på den anden side af Jorden, hvor der er nat. Solformørkelse Solen kan også blive formørket. Det sker, når Månen bevæger sig ind foran Solen og dækker for Solens lys. Ved en solformørkelse vil man i et lille område på Jorden ikke kunne se lyset fra Solen. Her er der en total solformørkelse. Solformørkelser vil ikke blive oplevet af så mange mennesker som måneformørkelser. I Danmark var der sidst en total solformørkelse i 151. Og den næste kommer først i 14. Solen og Månen ser ud, som om de har samme størrelse. De fylder lige meget på himlen. Solen er dog langt den største, men fordi den ligger længere væk, ser den mindre ud. Med de afstande, der er i Solsystemet, kan Månen lige netop dække for solskiven. Derfor opstår der kun skygge på Jorden i et cirkelformet område med en diameter op til ca. 00 km. Er man 0

21 SOL, MÅNE OG STJERNER Jorden Månen Solen inden for dette område, ser man en total solformørkelse. Solen forsvinder helt bag Månen. Er man lidt uden for området, vil Månen kun dække en del af solskiven. Her ser man en partiel solformørkelse. Det kan opleves i Danmark næsten hvert andet år. Skyggeområdet flytter sig hurtigt hen over Jorden. Så en total solformørkelse kan normalt ses i et område, der kan være måske km langt og ca. 100 km bredt. Det er kun en lille del af Jordens overflade. Det er derfor, at kun få mennesker kommer til at opleve en total solformørkelse. Ved en total solformørkelse bliver Solen langsomt dækket af Månen. Der går omkring en time fra Månen begynder at skygge for Solen, til den totale formørkelse starter. Mens solskiven bliver mindre, begynder fuglene at søge nattely, og det bliver koldt. Under den totale formørkelse, kan man se morgenrøde hele vejen rundt i horisonten. Der er jo stadig solskin langt borte. Enkelte kraftigt lysende stjerner kan også ses. Efter en kort periode, normalt et par minutter, kommer Solens lys langsomt igen. Mens Månen dækker for Solen, kan man se et lysende, uregelmæssigt område rundt om Solen. Dette område, Solens korona, kan normalt ikke ses på grund af det kraftige lys fra Solen. Men under en solformørkelse, når det kraftige lys er fjernet, ses koronaen. Koronaen er meget varme luftarter, der er det yderste af Solens atmosfære. Kopiark 1.1 En solformørkelse kan kun ses i et smalt bånd på Jorden, hvor Månen skygger for Solens lys. Når solskiven er dækket af Månen, kan man se Solens korona. 1

22 SOL, MÅNE OG STJERNER Månen Jorden På den del af Jorden der er tættest ved Månen, og på den del der er længst væk, forhøjes vandstanden. På siden nærmest Månen kan det forklares ved, at Månen her tiltrækker vandet mest. På bagsiden kan det forklares ved, at vandet her tiltrækkes mindst, så det nærmest falder af. Den rigtige forklaring er dog langt mere kompliceret. Og fordi Jorden roterer, vil flodbølgen i virkeligheden ikke ligge som på tegningen, men komme med en forsinkelse. Nyttige oplysninger En solformørkelse finder sted, når Månen skygger for Solens lys. En total solformørkelse kan kun ses i et smalt bælte på Jorden. En måneformørkelse finder sted, når Månen ligger i skyggen bag Jorden. En måneformørkelse kan ses fra den halvdel af Jorden, hvor det er nat. Tidevandet opstår, fordi der er små forskelle i tiltrækningskraften fra Månen (og Solen). Tidevandet er højest, når der er flod, og lavest, når der er ebbe. Ved fuldmåne og ved nymåne er tidevandet særlig kraftigt. Det kaldes springflod. Tidevand To gange hvert døgn er der ved mange kyster højvande, og to gange er der lavvande. Det kaldes flod og ebbe. Det er især Månen, der er årsag til, at vandet stiger og falder. På den side af Jorden, der vender mod Månen, buler havoverfladen lidt op. På den anden side af Jorden er der også en bule. Det skyldes meget små forskelle i tiltrækningskraften fra Månen. Hvis hele Jorden var dækket af hav, ville bulen kun være omkring en halv meter høj. Landområderne medfører, at tidevandsbølgen nogle steder slet ikke når frem. Andre steder forstærkes den. Nogle steder, i tragtformede områder, kan forskellen mellem flod og ebbe blive 15 meter. Ved Bornholm er tidevandsbølgen så lille, at den næsten ikke bemærkes. Solen har lige som Månen en tilsvarende virkning på vandet. Solens virkning er dog ikke så stor, men står Solen, Månen og Jorden på linje, forstærkes effekten. Det sker ved fuldmåne og nymåne. Så bliver forskellen mellem flod og ebbe ekstra høj. Det kaldes springflod. Når der er halvmåne, modvirker kræfterne fra Solen og Månen hinanden. Så er tidevandsbølgen lille. Det kaldes nipflod. For mange milliarder år siden lå Månen meget tættere på Jorden end nu. Derfor havde tidevandsbølgen en højde på flere hundrede meter. Der blev brugt store energimængder de steder, hvor landjorden bremsede tidevandsbølgen. Det bevirkede, at Jorden kom til at rotere langsommere. Da Jorden blev dannet, var døgnet flere timer kortere end i dag.

23 SOL, MÅNE OG STJERNER EKSPERIMENT Tidevandsbølgen I København er det vanskeligt at måle tidevandsbølgen. Ved Vesterhavet er der over en meter forskel på ebbe og flod. Men nogle steder i dybe bugter i udlandet kan forskellen være helt op til 15 meter. Denne forskel kan vises i et bølgekar. Lav først en lille bølge ved at vippe med karret. Læg så en stor tragt ned i den ene ende af karret. Lav igen en bølge, der har samme størrelse som den første. I tragten, der skal forestille en bugt, vil bølgen blive meget højere. Tidejord Der findes også tidejord. Jordoverfladen bølger nemlig op og ned i takt med tidevandet. Det er også Månen, der får jordoverfladen til at bule lidt op. Her i Danmark giver tidejorden en bølge på godt 10 cm. Det er ikke noget, man mærker i det daglige, men med følsomme måleinstrumenter kan tidejorden måles. Der er også tidejord på Månen. Det er Jordens tiltrækningskraft, der er årsagen. For flere millioner år siden var tidejorden på Månen meget stor. Bølgen var flere hundrede meter høj, så Månen blev æltet hele tiden. Det kostede så store energimængder, at Månen til sidst holdt helt op med at rotere. Det er derfor, Månen i dag altid vender samme side mod Jorden. 3

24 CAFE KOSMOS TRUSLEN FRA RUMMET Jorden er mange gange blevet ramt af store himmellegemer. Det har forårsaget død og ødelæggelse. Det var antagelig en stor meteorit, der var medvirkende til, at dinosaurerne uddøde for 65 millioner år siden. Kan det mon ske igen? Kan livet på Jorden ophøre, hvis Jorden rammes? 19 år efter hændelsen i Tunguska kunne man se, at alle træer i et område større end Fyn var væltede. Træerne lå, så de alle pegede væk fra midten af det store område. Der var ikke noget krater. Og der blev ikke fundet rester af himmellegemet. MYSTERIET I TUNGUSKA Tirsdag d. 30. juni 190 skete noget mærkeligt. I Kina så man tidligt om morgenen et stort himmellegeme bevæge sig hurtigt mod vest. Der var på himlen et lysende spor med en mørk hale. Få sekunder efter ramte himmellegemet ned i atmosfæren over det kæmpestore, øde skovområde ved Den stenede Tunguska-flod i Sibirien. Rundt i verden skete der uforklarlige ting. Følsomme barometre i England viste pludselige og hurtige trykændringer. Seismografer, dvs. jordskælvsmålere, viste, at jorden i Sibirien havde rystet. To dage senere blev det ikke mørkt om natten i København. Nætterne var så lyse, at det var muligt at læse avis. Alle undrede sig, men ingen vidste, hvad der var sket. Først 19 år senere, efter første verdenskrig og den russiske revolution, kom en ekspedition til området ved Tunguska-floden. Her kunne øjenvidner berette om en voldsom ildkugle og store skovbrande i 190. Senere undersøgelser tyder på, at en komet, især bestående af is, med en fart på over 10 km/s blev bremset i atmosfæren ca. km oppe. Den voldsomme gnidning fik kometen til at fordampe. Der kom herved en eksplosion, der var mere end 500 gange større end de atombombeeksplosioner i Japan, der afsluttede anden verdenskrig i Den voldsomme trykbølge væltede eller knækkede træerne i området. Trykbølgen bevægede sig hele vejen rundt om Jorden. Der blev kastet en masse støv op i atmosfæren, hvor det højt oppe bevægede sig rundt om Jorden. Støvet var årsagen til de lyse nætter på den anden side af kloden. De små støvpartikler reflekterede sollyset ned til jorden. Der foregår stadig undersøgelser af sporene efter Tunguska-hændelsen. Nedfald fra eksplosionen kan findes omkring 40 meter nede i indlandsisen på Grønland og i tørv i området omkring Tunguska. Med bl.a. undersøgelser af isprøver og tørv får man en bedre viden om det himmellegeme, der heldigvis denne gang faldt ned i et øde skovområde og ikke i nærheden af et tætbefolket bysamfund. 4

25 CAFE KOSMOS man, hvis himmellegemet ikke er for stort, og hvis man opdager det mange år inden sammenstødet med Jorden. STORE KONSEKVENSER En stor komet eller asteroide, der rammer Jorden, vil dræbe alle dyr og mennesker tæt ved nedslagsstedet. Rammer himmellegemet ned i havet, vil der opstå kraftige tsunamier. Det er bølger, der stiger til en ufattelig højde, når de nærmer sig landjorden. Rammer himmellegemet på land, vil store mængder stof blive kastet op i luften. Det vil spærre for lyset fra Solen. Der er så risiko for, at en lang periode uden sollys kan ødelægge store dele af livet her på Jorden. Leonid Kulik var den første forsker, der i 197 besøgte området ved Tunguska. KAN DET SKE IGEN? Jorden er de seneste milliarder år mange gange blevet ramt af andre himmellegemer. På et eller andet tidspunkt vil Jorden antagelig igen blive ramt af et stort himmellegeme. Det vil få voldsomme konsekvenser. Tunguska-hændelsen for hundrede år siden vil kunne gentage sig. Astronomerne holder øje med himlen for at opdage ukendte himmellegemer, der kunne være på vej mod Jorden. Og der holdes øje med alle de kendte. Der tænkes meget på, hvad der kan gøres, hvis man en dag finder et himmellegeme med kurs mod Jorden. Kan man sende et rumskib ud til himmellegemet og skubbe lidt til det? Eller skal der sprænges en brintbombe på himmellegemet, så det går i mange mindre stykker? Man kan måske skubbe det væk fra retningen mod Jorden? Det kan Tunguska-kometen, der havde bevæget sig i rummet i millioner af år, ramte heldigvis et øde område i Sibirien. Var den på sin lange rejse blevet forsinket omkring 10 minutter, ville den have ramt storbyen Sankt Petersborg. 5

26 DET VED DU NU OM SOL, MÅNE OG STJERNER HIMLEN OVER OS Solen er en stjerne blandt milliarder af andre i Mælkevejen. Mælkevejen, der ses som et tåget bånd på himlen, består af milliarder af stjerner. Solen ligger i udkanten af Mælkevejen. På nattehimlen er der fiksstjerner. De sidder i et fast mønster, de såkaldte stjernebilleder. Planeter er himmellegemer, der bevæger sig rundt om Solen i ellipseformede baner. Planeterne flytter sig på nattehimlen tæt på en linje, der kaldes ekliptika. SOLSYSTEMET Solsystemet består af Solen, otte planeter og mange mindre himmellegemer. De otte planeter i Solsystemet er Merkur, Venus, Jorden, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus og Neptun. Planeter, asteroider og kometer bevæger sig i ellipseformede baner omkring Solen. Meteoritter er små himmellegemer, der er faldet ned på Jorden. Rumsonder er fløjet forbi alle planeterne. JORDEN OG MÅNEN Jorden bevæger sig i en ellipseformet bane om Solen. En tur rundt varer et år. Månen bevæger sig i en ellipseformet bane om Jorden. Der går 9,5 døgn mellem to fuldmåner. Jordens akse er ikke vinkelret på den plan, hvor Jorden bevæger sig rundt om Solen. Jordens akse hælder 3,5. Hældningen medfører, at vi får sommer og vinter. Ved jævndøgn er dag og nat lige lange. Ved vintersolhverv har man den korteste dag i året. Ved sommersolhverv har man den korteste nat i året. 6 FORMØRKELSER OG TIDEVAND En solformørkelse finder sted, når Månen skygger for Solens lys. En total solformørkelse kan kun ses i et smalt bælte på Jorden. En måneformørkelse finder sted, når Månen ligger i skyggen bag Jorden. En måneformørkelse kan ses fra den halvdel af Jorden, hvor der er nat. Tidevandet opstår, fordi der er små forskelle i tiltrækningskraften fra Månen (og Solen). Tidevandet er højest, når der er flod, og lavest, når der er ebbe. Ved fuldmåne og ved nymåne er tidevandet særlig kraftigt. Det kaldes springflod.

27 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Hvilken af disse planeter er sværest at få øje på? Merkur, Jupiter eller Saturn? Hvor vil du se Nordstjernen stå, når du befinder dig tæt ved Ækvator? Kan man se fuldmånen midt på dagen? Kan man se nymånen midt om natten? Er der fuldmåne eller nymåne ved en solformørkelse? Hvad er polarcirklen? Hvad er astrologi, og har det noget med astronomi at gøre? Hvad er forskellen på en planet og en stjerne? Hvor længe kan Solen blive ved med at sende energi til os? Hvad er midnatssol? Hvor mange stjerner kan man se med det blotte øje? Hvad er Mælkevejen? UDFORDRING Læs kapitel 1 i 1. Mosebog i Biblen. Er der noget i skabelsesberetningen, der stemmer med vor viden i dag? Find ud af, hvor langt væk fra Solen rumsonden Voyager er kommet på forskellige tidspunkter. Fx i 1979, 195, 000 og 050. Forklar, hvorfor forskellen mellem flod og ebbe er meget større i London end i København. Forestil dig, at du for 150 år siden stod på en øde ø, hvor de indfødte aldrig havde været i kontakt med omverdenen. Hvordan ville du kunne overbevise dem om, at Jorden er rund? 7

28

29 Magnetisme MAGNETER MAGNETER OG ELEKTRISK STRØM ANVENDELSE AF MAGNETISME MÅLEMETODER I FYSIK CAFE KOSMOS: HJERTESTARTEREN Alle har som børn leget med magneter og følt de mærkelige tiltrækkende og frastødende kræfter. Selve Jorden er en stor magnet, der får et kompas til at vise retningen mod nord. Jordmagneten virker også på partikler fra Solen. Når de bevæger sig højt oppe i atmosfæren, opstår de smukke mønstre, der som nordlys kan ses bl.a. i Norge og engang imellem også i Danmark. Det er også jordmagneten, der om efteråret hjælper nogle trækfugle med at finde retningen mod syd, mod varmere lande. Magneter findes bl.a. på lågerne i køkkenskabe, i højttalere, i elektromotorer, i vindmøllernes generatorer og på betalingskort. Magneter og magnetisme har mange anvendelser i det moderne samfund. Hvad er et kompas? Hvilke materialer tiltrækkes af en magnet? Hvad er en elektromagnet? Hvordan virker en højttaler? Hvordan laver man elektrisk strøm i en vindmølle? 9

30 MAGNETISME Stangmagneter har forskellige poler i de to ender. Poler med samme farve frastøder hinanden. Poler med forskellig farve tiltrækker hinanden. Men begge slags poler kan tiltrække ting af jern. Magneter Magneter har været kendt i meget lang tid. I Kina har man for over to tusind år siden haft kompasser, der kunne vise retningen mod nord. I Europa har kompasser i 00 år været brugt ved rejser til søs. I Tyrkiet ligger en by, der hedder Manisa, men som tidligere havde det græske navn Magnesia. Her findes en jernmalm, magnetit, der blev brugt til at lave de første kompasser i Europa. Det er byen Magnesia, der har givet navn til ordene magnet og magnetisme. Nordpol og sydpol Begge ender på en stangmagnet kan tiltrække jern. Men magnetens to ender er alligevel forskellige. Enderne på to stangmagneter vil nemlig enten tiltrække eller frastøde hinanden. De to ender kaldes sydpol og nordpol. På tegningen er nordpolen rød, og sydpolen er hvid. To ens poler vil altid frastøde hinanden, mens to forskellige magnetiske poler, dvs. en nordpol og en sydpol, vil tiltrække hinanden. Hænges en magnet vandret op i en tynd tråd, vil magneten dreje sig, så enderne peger mod nord og syd. Det skyldes, at Jorden selv er en stor magnet, der virker med kræfter på magneten. Den ende af stangmagneten, der peger mod nord, er magnetens nordpol. Den tiltrækkes af jordmagnetens sydpol. Drysser man jernspåner på et stykke papir, der ligger over en stangmagnet, kan man se, at spånerne lægger sig i et mønster. Spånerne stråler ud fra de områder, hvor magneten er kraftigst, nemlig i enderne. I midten af stangen er den magnetiske virkning ikke så stor. Spånernes mønster viser retningen af den magnetiske kraft omkring magneten. Kopiark.1,. og.3 Magneter i hjemmet og i fysik/kemi-lokalet. Magnetiske stoffer Kun få grundstoffer bliver tiltrukket af magneter. Det er metallerne jern, nikkel og cobalt. Også et par andre grundstoffer, der kun findes i små mængder, kan blive tiltrukket. Men mange legeringer, dvs. blandinger af forskellige metaller, kan tiltrækkes. Magneter fremstilles som regel af en legering af alumini- 30

31 MAGNETISME Jernspånerne drejer sig, så de ligger i den retning, den magnetiske kraft virker. Spånerne viser magnetfeltet, dvs. retningen af den magnetiske kraft omkring en stangmagnet. Småmagnet um, nikkel, cobalt og jern. De hedder alnico-magneter pga. de tre stoffer i legeringen. De kraftigste magneter er dog lavet af legeringer, der indeholder et af de ret sjældne metaller neodym eller samarium. Magneter kan fremstilles i alle mulige faconer, så de kan bruges i legetøj, i højttalere og som holdere på opslagstavler. Man kan også få skruetrækkere, der er gjort magnetiske, så de kan holde fast på skruer. På den måde kan man arbejde på steder, hvor det er svært at få plads til at holde på skruen. Småmagneter Stangmagneter har en pol i hver ende. Midten af en stangmagnet har ikke nogen pol. Men hvis man saver en magnet over på midten, vil man få to nye, mindre stangmagneter, der har poler i enderne. Der er altså opstået en nordpol og en sydpol på et sted, hvor der ikke tidligere var nogen magnetisk pol. Det kan forklares med en model, hvor magneten er opbygget af mange, ganske små magneter, der ligger parallelt. Alle med nordpolen i samme retning. De steder, hvor enderne på to småmagneter rører hinanden, ophæver nord- og sydpolen hinanden. Samlet er det, som om stangmagneten kun har to poler, én i hver ende. Hvert lille område i den store magnet virker altså som en magnet. Når alle disse småmagneter ligger i tilfældige retninger, er stoffet ikke magnetisk. Men hvis småmagneterne er blevet drejet, så de har fået samme retning, er stoffet blevet magnetiseret. Man har en magnet. Stangmagneten i midten er opbygget af mange småmagneter, der alle ligger med nordpolerne i samme retning. I et umagnetisk stof er der også småmagneter. De ligger hulter til bulter som vist nederst. Den nederste stang virker derfor ikke som en magnet. 31

32 MAGNETISME GBB-.07 Clipsene er blevet magnetiseret af den store magnet. Derfor kan clipsene holde fast i hinanden. De to magneter af neodym er så kraftige, at de nemt kan tiltrække hinanden gennem en finger. Sådan laver man en magnet Holder man to clips af jern i nærheden af hinanden, kan man ikke mærke nogen magnetisk kraft mellem dem. Jernet i clipsene er ikke magnetiseret. Småmagneterne peger i alle mulige retninger. Men hænger man en clips op under enden på en stangmagnet, bliver clipsen magnetiseret. Magnetfeltet fra stangmagneten drejer småmagneterne i clipsen. Clipsen under magneten kan nu holde fast i endnu en clips, der på den måde også bliver magnetiseret. Et magnetfelt kan altså dreje småmagneterne i et umagnetiseret stof, så stoffet bliver magnetisk. Trækker man enden af en stangmagnet hen over en clips, bliver clipsen til en meget svag magnet. Stangmagnetens pol har nemlig drejet småmagneterne, mens den blev flyttet. Kopiark.4 og.5 Permanente magneter Nogle stoffer kan danne permanente magneter. Her bliver småmagneterne siddende i den retning, de fik, da stoffet blev magnetiseret. Andre stoffer, fx det jern clipsene er lavet af, er bløde magneter. Efter en magnetisering af disse stoffer vil småmagneternes tilfældige bevægelser igen gøre stofferne næsten umagnetiske. En permanent magnet kan være meget svær at afmagnetisere, mens det sker næsten helt af sig selv i de bløde magneter. I alle magnetiske stoffer forsvinder de magnetiske egenskaber, når temperaturen bliver for høj. Ved høj temperatur bevæger molekylerne i stoffet sig hurtigere. Derfor vil retningen af småmagneterne også ændre sig. Til sidst ligger de helt tilfældigt. Så ved en opvarmning kan permanente magneter meget nemt afmagnetiseres. Alnico-magneter og neodym-magneter holder deres stærke magnetisering, når de først er magnetiserede. Men varmer man magneterne op, forsvinder magnetiseringen. Det skyldes, at småmagneterne kommer til at bevæge sig hurtigere, og derfor ikke længere kan ligge i samme retning. Neodym-magneter, der er de stærkeste magneter, kan kun være magnetiske ved temperaturer under ca. 0 C. Kopiark.6,.7,. og.9 3

33 MAGNETISME Magnetfeltet omkring en magnet En kompasnål, der er i nærheden af en stangmagnet, vil stille sig i forskellige retninger afhængig af, hvor den befinder sig. Den retning, som kompasnålens nordpol peger mod, viser magnetfeltets retning. Magnetfeltet kan tegnes som nogle linjer, der går fra magnetens nordpol til dens sydpol. En kompasnål vil altid dreje sig, så den følger magnetfeltets retning. Magnetfeltet omkring en stangmagnet og omkring Jorden er vist på tegningen. Formen af de to magnetfelter er ens. Magnetfeltet er dog langt kraftigere omkring en stangmagnet end omkring Jorden. Feltet ved de kraftigste magneter er mere end gange større end det magnetfelt, Jorden frembringer i Danmark. Kopiark.10 og.11 Trækfugle Hvert år rejser trækfugle flere tusind kilometer mod nord og syd for at følge det gode vejr. Hvordan finder trækfuglene vej? Mange af fuglenes ruter følger kystlinjer, men fuglene kan også navigere efter retningen til Solen og visse stjerner. Mange fuglearter har en slags indbygget kompas, der udnytter retningen af Jordens magnetfelt. Det kan vises ved at anbringe fuglene i et stort bur, hvori der er lavet et magnetfelt, hvis størrelse og retning kan ændres. Fuglene vil flyve i en bestemt retning i forhold til det magnetfelt, der er i buret. S N Det magnetiske felt fra en stangmagnet ligner det magnetiske felt omkring Jorden. Pilene viser retningen af kraften på en kompasnåls nordpol. Trækfugle Mange fuglearter, der om efteråret rejser mod syd, har et indbygget kompas. Dette kompas findes antagelig i øjet. Fuglene kan nemlig kun finde den rigtige retning, hvis de også udsættes for lys af bestemte farver. Hvordan fuglenes kompas virker, er endnu ikke helt opklaret. 33

34 MAGNETISME En flydende magnet Et barberblad magnetiseres, ved at en kraftig magnet flere gange stryges i samme retning hen over bladet. Med en magnetnål vises, at barberbladet er blevet magnetiseret. Læg forsigtigt et lille stykke avispapir på vandet i en skål. Læg barberbladet på papiret. Når papiret går til bunds, flyder barberbladet. Det vil nu som en flydende magnet indstille sig i retningen nord-syd. EKSPERIMENT Nyttige oplysninger Magneter har to poler, en nordpol og en sydpol. To ens poler frastøder hinanden. To forskellige poler tiltrækker hinanden. Magneter er omgivet af et magnetfelt, hvor feltlinjerne viser magnetfeltets retning. Jorden er omgivet af et magnetfelt. Nordlys Nordlys er et himmelfænomen, der kun sjældent opleves i Danmark. Nordlyset ser ud som et bølget tæppe med forskellige farver, der langsomt skifter udseende. Nordlys i Danmark kommer et par dage efter, at der har været særlig kraftig aktivitet på Solens overflade. Så udsendes mange elektrisk ladede partikler fra Solen. Når partiklerne efter en tur på ca. tre dage kommer frem til Jorden, vil de blive påvirket af magnetfeltet. Partiklerne vil bevæge sig i krumme baner, og en del af dem vil til sidst have retning ned mod Jordens overflade. Her vil de ramme toppen af atmosfæren i et stort ringformet område, der har centrum i den magnetiske sydpol. Ringen har en radius på flere tusind kilometer. Når de hurtige partikler fra Solen bliver bremset af oxygen- og nitrogenmolekyler højt oppe i atmosfæren, udsendes der lys. Nordlyset dannes mere end 100 kilometer oppe. Satellitter, der holder øje med Solen, kan se, når der er mange partikler på vej. Så udsendes et varsel om, at der et par dage senere vil kunne ses et kraftigt nordlys. Mens nordlys kun sjældent kan opleves i Danmark, er det et helt almindeligt himmelfænomen i bl.a. Norge. 34

35 MAGNETISME Hans Christian Ørsted, dansk fysiker og kemiker ( ). Ørsted opdagede i 10, at en elektrisk strøm påvirkede en magnetnål. Han var den første, der fremstillede aluminium. Ørsted var meget sproginteresseret. Han ønskede at bruge danske ord i stedet for de latinske, der blev meget benyttet i 100-tallet. Ord som ilt, brint, rumfang, fortætning, billedkunst og nejsiger er alle opfundet af Ørsted. Magneter og elektrisk strøm To ens elektriske ladninger frastøder hinanden, men en positiv og en negativ ladning tiltrækker hinanden. Ens magnetiske poler frastøder hinanden, og forskellige poler tiltrækker hinanden. Er der mon en sammenhæng mellem elektriske og magnetiske fænomener? Ørsteds eksperiment Omkring 100 havde den italienske fysiker Volta bygget det første batteri, der kunne sende elektrisk strøm gennem en ledning. På det tidspunkt mente man helt korrekt, at elektrisk strøm var ladninger, der bevægede sig i en ledning. Men man troede også, at magnetisme skyldtes et magnetisk stof, der på en alle anden måde fandtes i magneterne. I april 10 udførte den danske professor H.C. Ørsted et forsøg i forbindelse med en forelæsning om strøm og magnetisme. Han holdt en tynd platintråd over en kompasnål. Når en stor strøm løb gennem tråden, kunne han se, at kompasnålen bevægede sig ganske lidt. Ørsted troede først, at det var strålingen fra den glødende tråd, der fik kompasnålen til at bevæge sig. Flere forsøg viste dog, at det var den elektriske strøm i ledningen, der påvirkede kompasnålen. Kopiark.1 35

36 MAGNETISME Elektrisk strøm laver magnetfelter Ørsted havde opdaget, at strømmen i en ledning påvirker en lille magnet. Han havde vist, at der var et magnetfelt omkring ledningen. Dette magnetfelt virker med kræfter på kompasnålen, så den vil stå vinkelret på strømmens retning. Det var på Ørsteds tid meget overraskende, at den magnetiske kraft havde denne retning. På billedet kan man se, at det magnetiske felt ligger i cirkler omkring ledningen. Magnetfeltets retning kan findes ved hjælp af højrehåndsreglen: Den magnetiske kraft har en retning, som er vist med pilene. Retningen er tangent til cirklerne. En lille magnetnål vil stille sig i magnetfeltets retning. Hold højre hånd let krummet omkring ledningen med tommelfingeren i strømmens retning. Magnetfeltet vil ligge rundt om ledningen i fingrenes retning. En magnetnåls nordpol vil blive påvirket i fingrenes retning. Sydpolen påvirkes i modsat retning. En ledning går gennem et hul i et stykke papir. På papiret er strøet jernspåner. Når der går en kraftig strøm gennem ledningen, vil jernspånerne på papiret vise retningen af magnetfeltet omkring ledningen. Jorden som magnet Jorden er en stor magnet med poler tæt på Nordpolen og Sydpolen. En kompasnåls nordpol peger mod nord. Da den tiltrækkes af en sydpol, må det være Jordens magnetiske sydpol, der ligger tæt ved den geografiske nordpol. Den magnetiske sydpol ligger ikke på Jordens geografiske nordpol, men i Det nordlige Ishav lidt nord for Canada. Der er derfor en forskel i den sande retning mod nord og den retning, et kompas viser. Denne forskel, der kaldes misvisningen, er i Danmark omkring 1. Misvisningen var omkring 10 for 100 år siden. Når Jorden opfører sig som en stangmagnet, er det fordi, der i Jordens indre er meget smeltet jern og nikkel. Metallerne bevæger sig, så det er som om, der løber kraftige elektriske strømme dybt nede i Jorden. Strømmene bevirker, at der dannes et magnetisk felt. Det er meget heldigt for livet her på Jorden, at der er et 36

37 MAGNETISME magnetfelt. Det betyder nemlig, at mange partikler fra Solen, som kan være skadelige for levende væsner, ikke når ned til os. De fanges i magnetfeltet højt over Jorden. Polvendinger De magnetiske poler ligger ikke fast. De flytter sig i øjeblikket ca. 50 km hvert år. Den magnetiske sydpol har forladt Canada og bevæger sig mod den geografiske nordpol. Når de magnetiske poler bevæger sig, skyldes det ændringer i den måde, de flydende metaller dybt nede i Jorden bevæger sig på. Når lavaen fra en vulkan størkner, vil små krystaller af jernlegeringer rette sig ind efter de magnetiske poler. Man kan derfor ved at undersøge lava fra fortidens vulkanudbrud sige noget om magnetfeltet i meget gamle dage. Undersøgelser viser, at der i gennemsnit med års mellemrum sker en polvending. Den magnetiske nord- og sydpol skifter plads. Mens polvendingen finder sted, er Jordens magnetfelt næsten nul i en periode på måske 1000 år. Dyre- og plantelivet på Jorden er i disse perioder blevet udsat for en kraftig bestråling. Det kan have været årsag til, at nogle arter er uddøde, mens nye er opstået. Der er gået over år siden den sidste polvending, så den næste er antagelig snart på vej. Men om snart er 1000 eller år ved ingen. Spoler laver store magnetfelter Sender man strøm gennem en ledning, der har form som en cirkel, viser højrehåndsreglen, at alle små stykker af ledningen midt i cirklen laver et magnetfelt med samme retning. Lægger man to cirkelformede ledninger oven på hinanden, fordobles magnetfeltet. Sender man strøm med en strømstyrke, der er dobbelt så stor gennem ledningen, bliver magnetfeltet også dobbelt så stort. Skal man lave et meget stort magnetfelt, må man altså bruge store strømstyrker og spoler med mange vindinger. Magnetfeltets styrke inde i spolen bestemmes af strømstyrken ganget med antallet af vindinger. Denne størrelse kaldes ampere-vindingstallet. Man siger, at en spole med 00 vindinger, der gennemløbes af 0,5 ampere, har 100 ampere-vindinger. Inde i en spole er der derfor et magnetfelt, der er meget større end magnetfeltet omkring en enkelt ledning. + 4,5 V + 4,5 V + 4,5 V Magnetfeltet fra en enkelt vinding er så lille, at magnetnålen næsten ikke ændrer retning. Men med flere vindinger bliver den magnetiske kraft større. S Magnetfeltet uden om en spole har en form, der ligner feltet fra en stangmagnet. Noget kunne altså tyde på, at feltet fra stangmagneten bliver lavet af en masse cirkelformede strømme. N S N N N S S 37

38 MAGNETISME Nyttige oplysninger En elektrisk strøm laver et magnetfelt. Jorden kan betragtes som en magnet med sydpolen liggende tæt ved den geografiske nordpol. Retningen af magnetfeltet fra strømmen i en ledning findes med højrehåndsreglen. En strømførende ledning påvirkes af et magnetfelt. Retningen af kraften på en ledning i et magnetfelt findes med lillefingerreglen. En elektromagnet er en spole med jernkerne. Magnetfelters styrke måles i enheden tesla. Feltet fra de kraftigste magneter er omkring 1 tesla. Tesla er en meget stor enhed, så derfor måles magnetfelter tit i millitesla, der er en tusindedel af en tesla. Feltet fra en køleskabsmagnet er omkring 1 millitesla, dvs. 0,001 tesla. Feltet fra jordmagnetismen i Danmark er endnu svagere, kun ca. 0,05 millitesla. Denne værdi kan også skrives som 50 mikrotesla eller 0, tesla. Spoler med jernkerne laver større magnetfelter Anbringer man et stykke jern i en spole, vil spolens magnetfelt gøre jernet magnetisk. Derfor er det både spolen og jernkernen, der danner magnetfeltet. Det viser sig, at magnetfeltet fra en spole med jernkerne kan blive mere end 1000 gange kraftigere end magnetfeltet fra spolen alene. En spole med jernkerne kaldes en elektromagnet. Magneter får ledninger til at bevæge sig Ørsted havde opdaget, at strømmen i en ledning kunne få en kompasnål eller en lille magnet til at bevæge sig. I England havde Michael Faraday hørt om Ørsteds eksperiment. Faraday lavede året efter, i 11, det modsatte forsøg. Han holdt fast i magneten og opdagede så, at ledningen bevægede sig. Den opdagelse blev starten på en udvikling, der har givet os alle de elektriske maskiner, der findes i dag. Lillefingerreglen Der gælder også en regel for kraften på en ledning i et magnetfelt. Den kaldes lillefingerreglen: Anbring højre hånd med håndfladen mod nordpolen og med fingrene i strømmens retning. Lillefingeren vil så vise retningen af kraften på ledningen. LARS 3

39 MAGNETISME EKSPERIMENT Verdens mest simple elektromotor? En lille, men meget kraftig, neodym-magnet sættes fast på hovedet af en jernskrue. Herved bliver skruen magnetiseret, så den kan hænge i bunden af et batteri. Når en ledning fra toppen af batteriet rører siden af neodym-magneten, begynder skruen og magneten at rotere meget hurtigt. Mon det er verdens simpleste elektromotor? Motoren kører rundt, fordi der er et magnetfelt omkring skruen. Magnetfelter får strømførende ledninger til at bevæge sig. I dette forsøg er det skruen, der er ledningen, så den vil køre hurtigt rundt. LARS Elektromotorer En elektromotor kan se ud som på tegningen. En magnet laver et kraftigt magnetfelt i et område, hvor en cylinder kan dreje rundt. Omkring cylinderen er viklet en ledning. Når der løber en strøm i ledningen, vil den blive påvirket af en kraft, der får cylinderen til at dreje sig. Når cylinderen har drejet sig en kvart omgang, er der ikke længere en kraft, der kan få cylinderen til at rotere. For at maskinen skal blive ved med at køre, har man lavet en smart opfindelse. Der er anbragt flere ledninger, fx seks, rundt om cylinderen. Kontakter på akslen sørger for, at der kun løber strøm gennem en enkelt ledning ad gangen, nemlig den der sidder øverst og nederst på cylinderen. Når cylinderen er drejet et stykke, afbrydes strømmen i ledningen, og der kommer i stedet strøm i nabovindingen. På den måde kan elektromotoren blive ved med at rotere. En simpel elektromotor Kraft N Kraft S 39

40 MAGNETISME Anvendelse af magnetisme Magneter og magnetfelter bruges i mange apparater. Ingeniører og fysikere har siden Voltas, Ørsteds og Faradays opdagelser udviklet metoder, der kan anvende egenskaberne ved magnetfelterne. I dette afsnit fortælles om en række forskellige anvendelser. Tegningen viser huset på toppen af en vindmølle fra Vestas. Når vingerne roterer, sørger tandhjul i en gearkasse for, at akslen kommer til at rotere hurtigere. I den lyseblå generator laves den elektriske strøm. Møllens 44 meter lange vinger producerer en elektrisk effekt på 3 megawatt. Den kan få almindelige pærer til at lyse samtidigt. Piezohøjttalere Højttalere kan bygges på andre måder. I elektriske lightere sidder en lille krystal, en piezoelektrisk krystal, der får en elektrisk spænding mellem enderne, når man trykker på den. Der kan så springe en gnist, der tænder lighteren. Den omvendte effekt findes også. En spænding over krystallens ender, får den til at ændre sin længde. Denne bevægelse kan frembringe en lyd, som bl.a. bruges ved simple ringetoner i mobiltelefoner. Generatorer Når vingerne på en vindmølle drejer rundt, får akslen en elektrisk generator til at rotere. Nogle generatorer virker helt som elektromotorer bare lige omvendt. I en elektromotor får en elektrisk strøm en ledning til at bevæge sig. Ledningen er anbragt på en såkaldt rotor. I en generator opstår der en elektrisk strøm, når rotoren drejer, fx pga. møllevingernes bevægelse. Højttalere I højttalere sidder normalt en magnet med en meget speciel facon. Magneten er lavet som en cylinder, der i midten har en søjle. Magneten er lavet, så den ene pol sidder på cylinderen og den anden pol på søjlen i midten. Magnetfeltet går derfor gennem luften mellem søjlen og den ydre cylinder. I mellemrummet sidder en spole. Spolen er viklet på et let rør, der er i forbindelse med højttalerens membran. Når der sendes en elektrisk strøm gennem spolen, vil ledningen blive påvirket. Spolen vil derfor bevæge sig i takt med strømstyrken i ledningen. Det får membranen til at svinge, så luften sættes i bevægelse. Der er altså lavet en lyd, der svinger i takt med ændringerne i strømstyrken. Det kraftige magnetfelt på spolen får membranen til at svinge i takt med strømstyrken i ledningerne. Spole Magnet N S N Stel Membran 40

41 MAGNETISME I det sorte bånd på et magnetkort gemmes oplysninger om kortets ejer. Der ligger tre striber, der hver kan indeholde flere hundrede små områder, der enten er umagnetiske eller magnetiseret. Ved at måle hvilke områder der er magnetiseret, kan man læse oplysningerne på magnetkortet. En opfindelse ved strygebrættet Magnetkort Tre magnetiske spor På bagsiden af sygesikringsbeviser og betalingskort er der en sort strimmel, den såkaldte magnetstribe. Her gemmes oplysninger, der bl.a. viser, hvem der er kortets ejer. Den magnetiske kode i kortet gemmes i tre bånd. I hvert bånd er der et par hundrede små striber. Her er der små partikler, der enten kan være magnetiske eller umagnetiske. Kaldes det umagnetiske område for 0 og det magnetiske område for 1, kan der i et magnetkort nemt gemmes 500 såkaldte digitale oplysninger. Når kortet føres gennem en kortlæser, fås derfor en talrække med tallene 1 og 0. Ved at lave en oversættelse fra nullerne og et-tallene til almindelige tal og bogstaver fås de oplysninger, der siger noget om kortets ejer. Bare 70 af disse digitale oplysninger er nok til at angive både et bankkontonummer og et cpr-nummer, så der er god plads på magnetstrimlen. De enkelte små områder på magnetkortet er normalt lavet af et magnetisk stof, bariumferrit, der virker som en permanent magnet. Når oplysningerne først er indlæst på kortet, vil små magnetiske påvirkninger ikke kunne ændre informationerne. Forrest Parry, der i 1960-erne var ingeniør hos IBM, havde et forskningsprojekt for det amerikanske efterretningsvæsen, CIA. Projektet bestod i at udvikle en magnetkode, der kunne sidde på et plastickort. Parry fik anbragt den magnetiske information på et tyndt folie, men kunne ikke finde en lim, der både kunne holde foliet på plastickortet og klæbe et tyndt beskyttelseslag oven på foliet. Det problem plagede ham så meget, at hans kone bekymret spurgte, hvad der var galt. Da han forklarede sagen, foreslog hun, at man skulle prøve at smelte materialerne sammen med et varmt strygejern. Hun forsøgte straks, og det virkede! Store opfindelser kan altså godt laves, mens man ordner vasketøjet. 41

42 MAGNETISME Maglev-tog I Shanghai i Kina findes en jernbane, hvor magnetiske kræfter får togvognene til at svæve. Jernbanen i Shanghai er 30 km lang. Toget når en fart på over 400 km/t. Et sådant svævende tog kaldes et maglev-tog. Et maglev-tog starter sin tur med almindelige hjul, men elektromagneter laver frastødende kræfter, der både får toget til at svæve og til at bevæge sig frem. Toget svæver omkring 1 cm over skinnerne. Når toget svæver, er der færre gnidningskræfter. Ørsted-satellitten Magnetfeltet omkring Jorden afhænger af elektriske strømme dybt under overfladen. En meget præcis viden om magnetfeltets størrelse og retning kan derfor give forskerne et bedre kendskab til Jordens indre. En dansk satellit, Ørsted-satellitten, har siden 1999 kredset ca. 700 kilometer over Jorden. Satellitten måler magnetfeltet med meget stor nøjagtighed. Ørsted-satellitten er den første danske satellit. Mange danske fysikere og ingeniører har arbejdet med udviklingen af satellittens instrumenter. Da den blev opsendt, kunne den måle magnetfeltet omkring Jorden med den hidtil største nøjagtighed. Der er dog nu opsendt flere tilsvarende satellitter, der kan måle mere præcist. Ørsted-satellitten kan måle magnetfeltets størrelse med en usikkerhed på omkring 0, promille. Det er en nøjagtighed, der svarer til at måle en længde på 1 kilometer med en nøjagtighed på bare 0 centimeter. Med disse præcise målinger kan satellitten give oplysninger om elektriske strømme 3000 km nede i Jorden. Men satellittens målinger viser også de magnetfelter, der skyldes ladede partikler fra Solen. Det er de partikler, der laver nordlyset. Med Ørsted-satellittens målinger har man fået en mere præcis bestemmelse af, hvordan de magnetiske poler bevæger sig, og hvordan magnetfeltet i øjeblikket aftager i styrke. Satellitten bremses hele tiden ganske lidt af de få luftmolekyler, der er 700 km oppe. I 01 vil Ørstedsatellitten komme ind i atmosfæren og brænde op. Ørsted-satellittens magnetiske måleinstrument må ikke påvirkes af de elektriske strømme, der løber i satellittens øvrige udstyr. Instrumentet er derfor anbragt i den lille kasse for enden af det otte meter lange, firkantede gitter. 4

43 MAGNETISME EKSPERIMENT Magnetfeltet fra en elektromagnet En spole med jernkerne sættes i forbindelse med en strømforsyning. Størrelsen af strømstyrken måles med et multimeter. Magnetfeltets styrke måles med en særlig føler, en såkaldt hall-sonde eller et teslameter, der forbindes med et andet multimeter. I dette eksperiment måles, hvordan magnetfeltet lige ved jernkernen afhænger af strømstyrken gennem spolen og af antallet af vindinger i spolen. Der bruges tre forskellige spoler. For hver spole benyttes ca. fem forskellige strømstyrker. Det undersøges, om magnetfeltet er proportionalt med ampere-vindingstallet. At magnetfeltet er proportionalt med ampere-vindingstallet betyder, at feltet vokser i samme takt som ampere-vindingstallet. Bliver amperevindingstallet tre gange større, skal magnetfeltet også blive tre gange større. Målemetoder i fysik Mange målinger, der tidligere blev udført ved aflæsning af instrumenter, kan nu klares med dataloggere. Det er apparater, der automatisk gemmer måleresultaterne i en pc. Med tryk på et par taster kan målingerne derefter vises som grafer. Målinger vises i en tabel Ved målinger bør resultater angives i en tabel. Resultaterne af et eksperiment er vist i tabellen. Strømstyrke/ampere (Spole med 00 vindinger) 0,10 0,1 0,3 0,41 Magnetfelt/millitesla (Spole med 00 vindinger) 1,39,7 4,5 5,7 Magnetfelt/millitesla (Spole med 400 vindinger),7 5,,9 11,4 I hovedet på tabellen anføres den størrelse, der måles, og den enhed, der benyttes. Man kan skrive Strømstyrke/ampere eller Strømstyrke i ampere. En af de målte strømstyrker er 0,41 ampere. I rubrikken i tabellen anføres dette tal uden 43

44 MAGNETISME Tegning af grafer Magnetfelt/millitesla ,1 0, 0,3 0,4 0,5 Strømstyrke/ampere Målepunkterne fra tabellen på side 43 er indsat i et koordinatsystem. Herefter er der tegnet den rette linje, der passer bedst til målingerne. Det kaldes en proportional sammenhæng. enhed. I den anden overskrift står Magnetfelt/millitesla. I rubrikkerne skrives derfor talværdien af magnetfeltet angivet i enheden millitesla. Det er vigtigt, at man altid i en tabel kan se, hvilke enheder der er benyttet. Når man laver målinger, skal man angive resultaterne med et antal cifre, der viser, hvor nøjagtig målingen er. Måler man fx højden af et ark A4-papir med en lineal, skal man ikke skrive 9 cm eller 30 cm, men 9,6 cm eller 9,7 cm, fordi man måler med en usikkerhed på ca. 1 millimeter. Man må ikke skrive højden som 9,700 cm. Så ser det nemlig ud, som om man har målt afstanden meget nøjagtigt. Grafer Resultater fra målinger bør i mange tilfælde vises som grafer. Det giver en bedre forståelse af det målte, når man kan se resultaterne i en graf. Grafen overfor viser de målinger, der er angivet i tabellen. Ved pilespidserne på akserne skal man vise den størrelse, der er blevet målt, og den enhed, der er benyttet. På akserne skal desuden med små streger markeres de steder, der svarer til pæne tal. På grafen overfor er på førsteaksen (x-aksen) vist streger ved 0,1, 0,, 0,3, 0,4 og 0,5 ampere. På andenaksen (y-aksen) er markeret de lige værdier af magnetfeltet i millitesla. Når man tegner en linje gennem de målte punkter, skal linjen anbringes, så punkterne fordeler sig nogenlunde ligeligt på begge sider af linjen. Det vil give et resultat, der bedst svarer til målingerne. Man må ikke tegne fire små rette linjer, der går mellem de enkelte punkter. En sådan graf svarer ikke til den måde, elektromagneter opfører sig. Grafen viser en proportionalitet mellem strømstyrken og magnetfeltet. Læg mærke til hældningen af de to grafer. Grafen for spolen med de 400 vindinger har en hældning, der er dobbelt så stor som hældningen fra spolen med 00 vindinger. Kopiark.13 Datalogging Ovenfor er beskrevet den klassiske metode, når målinger skal vises. Men med elektronisk dataopsamling kan det samme laves nemmere. 44

45 MAGNETISME EKSPERIMENT Magnetfeltet fra en elektromagnet målt med elektronisk dataopsamling Kredsløbet bygges som vist på tegningen. En spole med jernkerne sættes i forbindelse med en strømforsyning. Størrelsen af strømstyrken måles med en strømsensor. Magnetfeltets størrelse måles med en magnetfeltsensor. De to sensorer forbindes med USB-stik til en pc. Der er installeret et specielt dataopsamlingsprogram på pc en. På pc ens skærmbillede vælges måleområder og enheder. Der hentes en tabel, hvor magnetfeltet vælges som datakilde. Strømstyrken anbringes i tabellens anden kolonne. Programmet startes ved at sætte et flueben ved startknappen. Der skrues nu langsomt op for strømstyrken. Når strømstyrken har nået fx 0,1 A, sættes et flueben ved den markering på skærmen, der registrerer en måling af magnetfeltet. Det samme gentages nu ved en række andre strømstyrker. Hele eksperimentet gentages med en spole, der har et andet vindingstal. Måleresultaterne er nu gemt. På skærmen markeres, at en graf ønskes oprettet. Vælg at strømstyrke og magnetfelt skal være førsteog andenakse på grafen. Ønskes en ret linje lagt ind på grafen, kan man vælge at lave en lineær tilpasning. Ved elektronisk dataopsamling skal benyttes en pc, et specielt dataopsamlingsprogram og en eller flere sonder, der kan måle de ønskede størrelser. Når måleresultaterne er gemt i pc en, kan programmet lave tabeller og grafer. Desuden giver programmet en pæn præsentation af alle resultater. Datalogning kræver en række sensorer til måling af forskellige størrelser. Der findes sensorer, der kan måle fx temperatur, magnetfelt, strømstyrke, spænding, lys- og lydstyrke samt afstand fra sensoren til en genstand. Kopiark.14 Nyttige oplysninger Med datalogning registrerer en pc måleresultater. Pc en kan derpå lave tabeller og grafer. 45

46 CAFE KOSMOS HJERTE- STARTEREN Ved de fleste hjertestop er hjertets pumpeevne sat ud af kraft, fordi hjertets muskulatur flimrer i stedet for at trække sig rytmisk sammen. Ved hurtig indgriben kan man ofte genoplive personen med et strømstød fra en hjertestarter. pumper, dvs. når der kan føles puls, skal man stoppe med hjertemassagen. HJERTETS ELEKTRISKE SYSTEM Alle vores celler er omgivet af en cellemembran. I en hvilende hjertemuskelcelle er der en spændingsforskel, membranpotentialet, over membranen på 90 mv. Et strømstød, som ændrer membranpotentialet med mindst 10 mv, medfører en pludselig ændring af dette til + 30 mv. Det kaldes depolarisering og resulterer i en sammentrækning af hjertemuskelcellen. For at hele hjertet skal kunne pumpe, er det nødvendigt, at hjertemuskelcellerne trækker sig sammen samtidig. Derfor har hjertet et ledningssystem, som automatisk og rytmisk fremkalder en depolarisering. En depolarisering et sted breder sig meget hurtigt til alle andre hjertemuskelceller, så der sker en næsten samtidig sammentrækning af alle cellerne og dermed hele hjertemusklen. Man kan ikke øve brugen af hjertestarteren på en levende person. KRAFTIGT STRØMSTØD MINUTTERNE TÆLLER En person med hjertestop kan i mange tilfælde genoplives uden efterfølgende at være hjerneskadet - dog kun hvis der handles hurtigt. Hjernen begynder normalt at tage skade på grund af iltmangel efter ca. 5 minutters hjertestop. Ved de fleste hjertestop flimrer hjertet uden at trække sig sammen. Denne såkaldte ventrikelflimren kan bringes til ophør ved at give et elektrisk stød. Det gives med en hjertestarter, som også kaldes en defibrillator. I alle ambulancer findes en hjertestarter, og det bliver mere og mere almindeligt, at der findes hjertestartere på steder, hvor der er mange mennesker, fx i lufthavne, idrætshaller og store virksomheder. Alle kan lære at betjene en hjertestarter. Så snart man har konstateret hjertestoppet, skal hjertemassage og vejrtrækning med mund-til-næse-metoden startes. Det elektriske stød med hjertestarteren skal gives, så hurtigt det er muligt. Når hjertet igen 46 Både sygdomme i selve hjertet og udefra kommende påvirkninger af hjertet kan medføre problemer med de elektriske signaler i hjertet. De værste situationer, der kan opstå, er enten komplet ophør af den elektriske aktivitet, asystoli, eller en meget hurtig rytme med over 350 elektriske impulser pr. minut, ventrikelflimren. Ved både asystoli og ventrikelflimren er det ikke muligt for hjertet at trække sig sammen, hvilket medfører hjertestop. Der kan ikke føles puls, personen bliver bevidstløs, og vejrtrækningen ophører.

47 CAFE KOSMOS for hospitalets mure: Hvert år bliver personer ramt af hjertestop uden for hospitalerne, og de færreste af dem overlever. Der er således mange menneskeliv at redde ved at forbedre mulighederne for hurtig genoplivning. HJERTESTARTERE PÅ FILM På billedet af den elektriske aktivitet i hjertet, ses øverst, at hjertet arbejder rytmisk med omkring 70 slag hvert minut. I midten er der tale om ventrikelflimren. Hjertets aktivitet er en uregelmæssig flimrelinje. Ved asystoli ses nederst en streg helt uden udsving. Ved ventrikelflimren, men ikke ved asystoli, er det muligt at genoprette den normale tilstand med et kortvarigt, kraftigt elektrisk stød med jævnspænding. Det bevirker, at alle hjerteceller depolariseres samtidigt. Derved kan den onde cirkel brydes, så den normale hjerterytme kan gå i gang igen. Stødet gives ved, at man anbringer to store elektroder på personens brystkasse. Elektroderne er forbundet med kabler til hjertestarteren. Stødet varer millisekunder. Det har en spænding på flere tusind volt. Energimængden er op til 360 joule. GODT AT VIDE Når der gives et stød til en person med hjertestop, er det vigtigt, at ingen af de omkringværende personer rører ved patienten. Det strømstød, som den raske derved risikerer at få, kan være livsfarligt. PÅ OG UDEN FOR HOSPITALET På hospitalers hjerteafdelinger er det almindeligt at overvåge patienternes hjerterytme. I tilfælde af, at der skulle opstå ventrikelflimren, kan der øjeblikkeligt gives et stød med en hjertestarter. Derfor overlever mange af disse patienter. Helt anderledes forholder det sig med personer, der får hjertestop uden Hjertestartere ligger tit i en taske, der også indeholder en båndoptager. Åbner man tasken, kan man høre en forklaring på, hvordan hjertestarteren skal bruges. 47 I filmen Casino Royale forgiftes James Bond med en overdosis af den type hjertemedicin, der hedder digitalis. Dette kan bl.a. medføre hurtig hjerterytme eller ventrikelflimren, hvor behandlingen er et stød i kombination med medicin, der modvirker hjerterytmeforstyrrelse. Situationen i filmen er dog ikke realistisk, da man ikke kan blive forgiftet så hurtigt, som Bond bliver det, og man kan ikke blive så hurtigt rask igen. I mange film ser man tit den lille skærm, der viser patientens hjerterytme. Når skærmen i filmen kun viser en ret linje, er der tale om asystoli, dvs. hjertet slår slet ikke. Her hjælper hjertestarteren ikke men skader heldigvis ikke. Alligevel vågner helten i filmen ofte op efter et elektrisk stød fra hjertestarteren.

48 DET VED DU NU OM MAGNETISME MAGNETER Magneter har to poler, en nordpol og en sydpol. To ens poler frastøder hinanden. To forskellige poler tiltrækker hinanden. Magneter er omgivet af et magnetfelt, hvor feltlinjerne viser magnetfeltets retning. ANVENDELSE AF MAGNETISME I en generator laves elektrisk strøm, når en spole bevæger sig i et magnetfelt. I en højttaler får et magnetfelt en spole til at svinge. Spolen er i forbindelse med en membran, der laver lyden. Jorden er omgivet af et magnetfelt. MAGNETER KAN LAVE ELEKTRISK STRØM MÅLEMETODER I FYSIK Med datalogning registrerer en pc måleresultater. Pc en kan derpå lave tabeller og grafer. En elektrisk strøm laver et magnetfelt. Jorden kan betragtes som en magnet med sydpolen liggende tæt ved den geografiske nordpol. Retningen af magnetfeltet fra strømmen i en ledning findes med højrehåndsreglen. En strømførende ledning påvirkes af et magnetfelt. Retningen af kraften på en ledning i et magnetfelt findes med lillefingerreglen En elektromagnet er en spole med jernkerne. 4

49 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Tiltrækker eller frastøder ens magnetiske poler hinanden? Hvordan virker et kompas? Hvor ligger Jordens magnetiske nordpol? Hvad er en generator? Hvad er en elektromagnet? Hvorfor kan en køleskabsmagnet sidde fast på døren til et køleskab? Hovedet af et søm anbringes på nordpolen af en magnet. Vil sømmets spids nu blive en nordpol eller en sydpol? Kan man lave en magnet, der frastøder jern? Hvordan kan man afmagnetisere et søm, der er magnetiseret? En kompasnål står i retningen nord-syd. Over nålen holdes en ledning i retningen øst-vest. Strømmen i ledningen går fra vest mod øst. Hvordan vil kompasnålen bevæge sig? UDFORDRING Der findes to slags kompasnåle. En inklinationsnål og en deklinationsnål. Brug internettet til at finde ud af forskellen på de to nåle. Du har to stænger, der ser helt ens ud. Den ene er en magnet. Den anden er ikke en magnet. Hvordan kan du finde ud af, hvilken stang der er magneten? Du må kun bruge de to stænger og intet andet. Lav en liste over de ting i dit hjem der indeholder magneter. I gamle dage sagde man, at en magnet ikke måtte holdes tæt ved et armbåndsur. Var der en god grund til dette råd? 49

50

51 Energi ENERGIENS MANGE FORMER ENERGIBEVARELSE OG VARME ENERGI I SAMFUNDET ENERGIFORBRUG CAFE KOSMOS: ENERGIEN I DIN KROP På en tur i en høj rutsjebane ændrer farten sig hele tiden. Energien skifter samtidig form. Men energien forsvinder ikke. Energien er en bevaret størrelse. Hver dag omsætter vi energi, for energi er nødvendig i samfundet. Energien kommer fra forbrænding af kul, olie og naturgas. Vi får dog også energi fra vedvarende energikilder som fx vindmøller, vandkraftanlæg, solfangere og biogasanlæg. Kapitlet diskuterer, hvor energien i fremtiden skal komme fra, når oliekilderne og kulminerne er tømte. Hvad er energi? Hvad er forskellen på temperatur og varme? Hvad betyder det, når der står 60 W på en elektrisk pære? Hvordan virker et vandkraftværk? Hvad er vedvarende energi? Hvorfor skader det miljøet, når vi bruger energi? Hvad er en varmepumpe? 51

52 ENERGI Kraft Kræfter angives i enheden newton, der forkortes N. Tyngdekraften er et eksempel på en kraft. Andre kræfter er fx opdrift og gnidningskræfter. Tyngdekraften på en genstand findes ved at gange massen af genstanden angivet i kilogram med 9,. Når det ikke er nødvendigt at regne nøjagtigt, ganger man med 10, så udregningen bliver nemmere. Resultatet er et tal, der viser kraften i enheden newton. Tallet 9, kaldes tyngdeaccelerationen. Tallet er et udtryk for tyngdekraftens størrelse. Når tyngdekraften udfører et arbejde på et faldende æble, får det fart på. Det får bevægelsesenergi. Den energi bruges til at smadre æblet, når det rammer gulvet. Energiens mange former I fysik har mange ord en anden betydning end i hverdagen. Når en vægtløfter har mange kræfter, betyder ordet kræfter noget andet, end når fysikeren fortæller, at et æble på et bord er påvirket af flere kræfter. I hverdagssproget er ordet tryk det samme som pres eller klem. I fysikken betyder tryk den kraft, der virker på en flade med arealet en kvadratmeter. Ord som arbejde og energi har også forskellig betydning i hverdagen og i fysikken. Arbejde I hverdagssproget kan man arbejde med en hjemmeopgave eller arbejde i et supermarked, men i fysik udføres et arbejde kun, når en kraft virker på en genstand, der flyttes. Størrelsen af arbejdet findes ved at gange kraftens størrelse med den afstand, genstanden er flyttet. Når en genstand falder, udfører tyngdekraften et arbejde. Tyngdekraften på et æble med massen 0,1 kg er 1 newton. Når æblet falder 1 meter, har tyngdekraften udført et arbejde på 1 newton gange 1 meter. Det er et arbejde på 1 N m. Enheden N m eller newton-meter kaldes joule, der forkortes J. Ordet er engelsk og udtales djuul. Arbejdet, som er udført af tyngdekraften på æblet, er altså 1 joule. En pige med massen 50 kg er påvirket af en tyngdekraft på ca. 500 newton. Når hun går 3 meter op ad en trappe, har hun udført et arbejde på 1500 newton-meter. Det er 1500 joule. En vægtløfter, der løfter 00 kg op til højden,0 m, udfører et arbejde på 4000 joule. Fødevarer skal mærkes med deres energiindhold. Det angives også i joule. I en 1,5 L sodavand er der omkring,7 MJ, dvs. næsten tre millioner joule. Det svarer til, at pigen skulle gå omkring 5 km op ad trappe! Intet arbejde uden en flytning Arbejde er noget, der udføres, når en ting flyttes. Man udfører derfor et arbejde, når man går op ad trappe, når man skubber en trillebør eller kaster en bold. Når du cykler, skal du trampe i pedalerne. Du udfører et arbejde ved at flytte pedalerne. Hver 5

53 ENERGI gang noget flytter sig, fordi det er påvirket af en kraft, bliver der udført et arbejde. For en fysiker er arbejdet nul, når der ikke sker en flytning. Man udfører altså ikke et arbejde, når man står stille og holder noget tungt, fx en skoletaske. Det strider dog mod alle erfaringer, fordi man bliver træt af at bære den tunge taske. Det skyldes, at kroppen bruger energi, fordi musklerne hele tiden skal være aktive for at holde tasken. Bevægelsesenergi Energi er også et ord, der har forskellig betydning i det daglige sprog og i fagsproget. I udtrykkene hun har masser af energi og han bruger al sin energi foran skærmen har ordet energi ikke samme betydning som i fysik. I fagsproget betyder energi en evne til at udføre et arbejde. Arbejdet kan bestå i at løfte ting, at cykle eller at sparke til en fodbold. Når en bold falder, vil tyngdekraften få den til at bevæge sig hurtigere og hurtigere. Bolden har energi, fordi den bevæger sig. Man siger, at bolden har bevægelsesenergi. Jo hurtigere bolden falder, jo større er bevægelsesenergien. Fysikere kalder også bevægelsesenergi for kinetisk energi. Det kommer fra det græske ord for bevægelse. En genstands bevægelsesenergi, E kin, er E kin = 1 m v hvor m er genstandens masse og v dens fart. Altså en halv gange massen gange farten i anden. Massen skal indsættes i kilogram og farten i meter pr. sekund, hvis resultatet skal blive en energi med enheden joule. En fodbold med massen 0,40 kg, der har farten 15 m/s, har altså en bevægelsesenergi på På en skateboardbane skifter energien mellem beliggenhedsenergi og bevægelsesenergi. Øverst oppe har skateren beliggenhedsenergi. Den ændres til bevægelsesenergi i bunden, hvor farten er størst. Når skateren er højest oppe på den anden side, er energien igen blevet til beliggenhedsenergi. Mens skaterens fart kun er 30 km/t, kan man i verdens største rutsjebaner nå en fart i bunden på 10 km/t. 1 0,40 (15) Det giver 45 joule. Projektilet fra et gevær har en masse på 0,005 kg og en fart på 900 m/s. Det har en bevægelsesenergi på 1 0,005 (900) Det bliver 05 joule, altså langt mere end fodboldens bevægelsesenergi. 53

54 ENERGI Alle ting falder lige hurtigt I et langt glasrør er der et dun og et lille lod. Røret er lukket i begge ender, men gennem en hane kan det forbindes med en pumpe. Når røret vendes, vil loddet naturligvis falde hurtigst gennem røret. Det var luftmodstanden, der bremsede dunet. EKSPERIMENT Røret tømmes nu for luft med en pumpe. Hanen lukkes, og røret vendes igen. Nu kommer dun og lod samtidigt ned til bunden. Når det kun er tyngdekraften, der virker, vil alle ting falde lige hurtigt. Nyttige oplysninger Det arbejde, en kraft udfører på en genstand, er kraftens størrelse ganget med den strækning, genstanden flyttes. Arbejde angives i enheden joule, der forkortes J. Beliggenhedsenergi og bevægelsesenergi er to energiformer. Potentiel energi og kinetisk energi er de internationale navne for beliggenhedsog bevægelsesenergi. Alle ting falder lige hurtigt, når der ikke er luftmodstand. Beliggenhedsenergi I Norge og Sverige er der vandkraftværker. Her har dæmninger over floder skabt søer højt oppe. Man siger, at vandet i søerne har en beliggenhedsenergi, fordi det ligger højere oppe end vandet på den anden side af dæmningen. Beliggenhedsenergien kan bruges til at producere elektrisk strøm. Fysikere kalder også beliggenhedsenergi for potentiel energi. Potentiel betyder mulig. En genstands beliggenhedsenergi er E pot = m g h hvor m er genstandens masse, og h er den højde, genstanden er hævet. Størrelsen g er tyngdeaccelerationen, der har talværdien 9, m/s. Massen skal indsættes i kilogram og højden i meter, hvis resultatet skal blive en energi med enheden joule. En fodbold med massen 0,40 kg, der er sparket 11 m op, har fået en beliggenhedsenergi på 0,40 9, 11. Det giver 43 joule. Kopiark 3.1, 3. og

55 ENERGI Energibevarelse og varme Energi kan skifte fra en form til en anden. Beliggenhedsenergi kan omdannes til bevægelsesenergi. For alle andre energiformer, fx varmeenergi, elektrisk energi og kemisk energi, gælder det også, at energien kan skifte form, men den kan ikke forsvinde. Vi forbruger altså ikke energien. Vi ændrer dens form. Energi forsvinder ikke I en rutsjebane i Tivoli skifter energien form hele tiden. Højt oppe er der beliggenhedsenergi, i bunden er der bevægelsesenergi. Til sidst stopper vognen i rutsjebanen, men energien er ikke forsvundet. Den har igen skiftet form. Nu er den blevet til varmeenergi. Bremserne i vognen er blevet varme. I gamle dage mente man, at varme var et stof. Et eller andet, der gik fra ilden og ind i gryden med vand. Omkring 140 blev det af flere forskere vist, at varme er en energiform, der opstår, når beliggenheds- og bevægelsesenergi forsvinder. Også arbejde kan blive omdannet til varmeenergi. Bøjer man en metalclips flere gange, går den til sidst i stykker. Det kaldes et træthedsbrud. Sætter man straks det sted, hvor clipsen brækkede, op mod læben, kan man mærke, at clipsen er blevet varm. Det arbejde, der er udført for at bøje clipsen, er blevet til varmeenergi, og temperaturen er derfor steget. Kopiark 3.4 Naturlove Der er i naturvidenskaben en række forhold, der gælder overalt og til alle tider. Det er de såkaldte naturlove. En af disse naturlove siger, at energi ikke kan forsvinde. Energi kan skifte form, men den samlede energi er konstant. Det er en naturlov, at energien er bevaret. Det er også en naturlov, at massen er bevaret. Den naturlov bruges fx i kemien, hvor der skal være samme masse før og efter en kemisk proces. Det er også en naturlov, at ladning er bevaret. Der kan ikke pludselig opstå fx en positiv ladning. Joule James P. Joule, engelsk fysiker (11-19). Joule var den første, der udførte præcise målinger af sammenhængen mellem varme og arbejde. Ved en række forsøg viste Joule, at varme ikke er et stof, men en energiform. Han har givet navn til energienheden joule. Joule havde et lod, der hang i en snor, som var i forbindelse med en propel. Når loddet bevægede sig ned, drejede propellen rundt i en beholder med vand. Her blev vandet opvarmet. Beliggenhedsenergien i loddet blev til bevægelsesenergi i propellen. Og til sidst blev energien til varmeenergi, der fik temperaturen i vandet til at stige. Hvad er varme? Varme er en energiform på samme måde som beliggenhedsenergi og bevægelsesenergi. Varme er ikke et eller andet 55

56 ENERGI En gammel enhed Enheden for både arbejde, beliggenhedsenergi, bevægelsesenergi og varmeenergi er joule. Tidligere blev enheden kalorie brugt for varmeenergi. Denne enhed var bestemt ud fra, at en energimængde på 1 kalorie kunne opvarme 1 gram vand 1 C. Der skal bruges 4, joule for at opvarme 1 g vand 1 C. Derfor er 1 kalorie = 4, joule På mange madvarer kan man stadig se denne enhed. En kalorie skrives som 1 cal. I mange artikler om vægttab bruges dog tit en uheldig enhed, der forkortes kal. Det betyder 1000 cal. Lyset fra lampen til venstre rammer solcellerne i midten. I solcellerne omdannes strålingsenergien til elektrisk energi, der får propellen til at rotere. stof, der flyttes fra et varmt sted til et koldere. At noget er varmt betyder, at det har en højere temperatur end noget andet. Temperaturen stiger, når molekylerne bevæger sig hurtigere. Når molekylerne i en genstand bevæger sig, har de bevægelsesenergi. Derfor betyder en høj temperatur, at der er gemt mere bevægelsesenergi inde i genstanden. Varme er altså ikke et stof, der flyttes, men en energiform, der fortæller, at molekylerne bevæger sig hurtigt. Når du pumper dækket op i din cykel, mærker du, at pumpen bliver varm. Det skyldes, at stemplet i pumpen bevæger sig, og dermed skubber til molekylerne i luften, så de får en større fart. Når man gnider hænderne mod hinanden en kold vinterdag, bliver håndfladerne varmet lidt op. Hændernes bevægelse skubber til molekylerne i huden, så de får mere fart på. Bevægelsesenergien af hænderne, bliver til bevægelsesenergi hos molekylerne. Temperaturen vil stige. Strålingsenergi Næsten al energi her på Jorden er kommet fra Solen. Det er Solen, der var årsag til, at der allerede for mange hundrede millioner år siden groede planter. De er efterhånden omdannet, så vi nu kan bryde kul og pumpe olie op fra undergrunden. Det er Solen, der skaber det vejr, der får vindmøllerne til at levere elektrisk strøm. Energien fra Solen findes både i det synlige lys og i det infrarøde lys, dvs. lys, der ikke kan ses af mennesker. Læs mere om det i kapitel 4. Energien i strålingen får planter til at gro, så vi kan få føde og brændsel. Strålingsenergien kan fanges og udnyttes til opvarmning i solfangere og til at lave elektricitet i solceller. En solcelle virker som et element. Den får en lille spændingsforskel, når der lyses på den. Sætter man mange solceller i serie, får man et batteri. I en solfanger bruges strålingsenergien til at opvarme vand. På mange sydvendte hustage sidder nogle sorte kasser. Det er solfangere. I vandrør inde i kasserne bliver vandet opvarmet helt gratis. Kopiark 3.5 og

57 ENERGI Lav ild som indianerne EKSPERIMENT Med en boremaskine, et bræt og en pind, kan man sætte ild til små papirstykker. Spænd brættet fast på et bord med en skruetvinge. Pinden spændes fast i boremaskinen. Når pinden gnider mod træet på brættet, bliver der varmt. Det lugter svedent og ryger lidt. Når man har øvet sig, kan man måske få ild i små papirstykker i revnen, hvor pinden gnider. Bevægelsesenergien i pinden er omdannet til varmeenergi, der har hævet temperaturen. På den måde lavede naturfolk ild i gamle dage. De havde ikke boremaskiner, men brugte hænderne for at få pinden til at rotere hurtigt. Varmetransport Når to genstande med forskellig temperatur er i kontakt med hinanden, vil der transporteres varme fra den ene til den anden. Varme bevæger sig altid fra en højere til en lavere temperatur. Når en metalpind varmes op i den ene ende, får molekylerne her mere fart på. De vil så skubbe til molekylerne ved siden af, så de også får mere fart på. På den måde flyttes energi fra det varme til det kolde sted. Man kan derfor sige, at varme er en energi, der flytter sig fra et varmt til et koldt sted. Varme kan også stråle fra et varmt til et koldt sted. Alle kender den prikkende fornemmelse i huden, der kommer, når man er tæt ved en varm ovn. Den stråling, man mærker, er en slags lys, bare med en farve, der ikke kan ses af øjnene, se kapitel 4. Nyttige oplysninger Det er en naturlov, at energien er bevaret. Varmeenergi dannes bl.a., når der er gnidningskræfter. Varmeenergi er et udtryk for molekylernes bevægelsesenergi. Varme er energi, der flytter sig fra steder med høj temperatur til steder med lav temperatur. Varmeenergi blev tidligere angivet i enheden kalorie, der forkortes cal. Isolering Det er vigtigt at spare på energien til opvarmning af boliger. Det gør man ved at lægge isoleringsmaterialer under gulve, i vægge og på lofter. Isoleringsmaterialer er stoffer, som varmen har svært ved at gå igennem; de er dårlige varmeledere. Isoleringsmaterialer som rockwool og glasuld er lavet af meget tynde tråde af sten eller glas. Det er luften i isoleringsmaterialerne, der sørger for, at der ikke flyttes så meget varmeenergi. Det er derfor hullerne i termoundertøj og strikkede bluser, der gør, at man kan holde varmen om vinteren! Kopiark 3.7 og 3. 57

58 ENERGI Billedet viser Europa om natten. Man kan se, hvor der bor mange mennesker, og hvor der bliver brugt energi til belysning. Effekt og mennesker En vægtløfter, der løfter 00 kg op til højden m, udfører, som vist side 5, et arbejde på 4000 joule. Hvis han løfter vægten på sekunder, er effekten 4000 J s dvs. 000 watt. Pigen, der går op ad trappe i eksemplet på side 5, udfører et arbejde på 1500 joule, når hun går 3 meter op. Hvis det varer 6 sekunder, vil hendes effekt være 1500 J 6 s dvs. 50 watt. En så stor effektydelse kan man kun klare i kort tid. Toptrænede cykelryttere kan yde en effekt på 50 W i mange timer, mens almindelige mennesker kun kan klare det i kort tid. Energi i samfundet Vi bruger meget energi i samfundet. Huse skal opvarmes. Biler, tog, skibe og fly skal bevæge sig. Om aftenen skal der tændes lys. Alle maskiner og elektroniske apparater skal have tilført energi for at kunne fungere. Hvor kommer energien fra? Og hvad koster den? Effekt En energi kan omdannes hurtigt eller langsomt. Omdannes energien ved en kemisk proces i løbet af en brøkdel af et sekund, er der tale om en eksplosion. Omdannes energien langsomt, som ved madens forbrænding i kroppen, sker der en rolig energiudvikling. Den fart, en energiomdannelse foregår med, kaldes effekten. Helt præcist er effekt det samme som energiforbrug pr. tid. Da energi måles i enheden joule, må effekten have enheden joule pr. sekund eller joule/sekund. Den enhed kendes bedre under navnet watt, der forkortes W. Et tal med denne enhed står på el-pærer og alle apparater, der bruger elektrisk strøm. 5

59 ENERGI En tændt el-pære bruger energi. Den forbrugte energi kan findes, når man kender pærens effekt. Hvis en lavenergipære har effekten 16 watt, betyder det, at den bruger 16 joule hvert sekund. Hvis den er tændt i en time, dvs. i 3600 sekunder, har den brugt en energi på (16 J/s) (3600 s) = J. Kilowatt-timer Når man skal betale for sit forbrug af elektricitet, er det ikke energienheden joule, der benyttes. Elektricitetsforbruget opgøres i enheden kilowatt-time. Denne enhed skrives som kwh. Her betyder k kilo, der er det samme som tusind. W betyder effektenheden watt. Størrelsen h betyder time. Det stammer fra det engelske ord hour. Hvis en lavenergipære på 16 W har været tændt i 1 time, har den brugt en energi på 16 watt gange 1 time, dvs. 16 watt- timer = 0,016 kwh. En kilowatt-time koster i 00 omkring 1,0 kr. Lavenergipæren har altså på en time brugt energi for ca. 3 øre. Kopiark 3.9 Maskiner og motorer De første maskiner, der omdannede varmeenergi til bevægelsesenergi, blev bygget i 1700-tallet i England. De blev kaldt dampmaskiner. De skulle sørge for, at pumper kunne trække vand op fra kulminer dybt nede under jorden. Tidligere var pumperne blevet trukket af heste. I dampmaskinerne blev vand varmet op i en kedel, så det fordampede. Når dampen blev afkølet i en cylinder, fortættedes dampen igen til vand. Ved denne tilstandsændring blev rumfanget mindre, og så faldt trykket. Trykfaldet fik stemplet i cylinderen til at flytte sig, så den store vippearm på toppen af maskinen bevægede sig. På den måde fik pumpen leveret energi til at løfte vandet op fra kulminen. Kopiark 3.10 Brændværdi Ved forbrænding af en liter benzin dannes der en varmemængde på 31 MJ. Man siger derfor, at benzin har en brændværdi på 31 MJ pr. liter. Træ har en brændværdi på ca. 19 MJ pr. kg. I kroppen er brændværdien af næringsstofferne i føden næsten den samme som ved forbrænding af træ. I 1717 var dampmaskinerne meget store. Under den runde beholder, kedlen, blev der fyret med kul. Vandet i kedlen fordampede. I cylinderen over kedlen blev dampen igen fortættet til væske. Et stempel i cylinderen blev herved trukket nedad, så den anden ende af den store vippearm blev trukket op. På den måde kom der energi til pumperne nede i kulminen. James Watt James Watt, skotsk ingeniør ( ). Watt opfandt flere forbedringer af de første dampmaskiner. Han startede et firma, der solgte dampmaskiner i hele Europa. Watt har givet navn til enheden for effekt. 59

60 ENERGI Dampmaskinen Fyld vand i dampmaskinen. Brug en sprittablet til opvarmning af vandet. Når vandet i kedlen er kommet i kog, vil det fordampe. Det vil komme til at fylde mere og kan derfor presse på stemplet i cylinderen. Stemplets bevægelse driver derefter det store svinghjul. Find ud af, hvilken vej dampen følger, og hvad der får stemplet til at bevæge sig frem og tilbage i cylinderen. Find også ud af, hvad det er, der kører rundt på toppen af dampmaskinens cylinder. EKSPERIMENT Nyttige oplysninger Effekt er et udtryk for, hvor hurtigt en energi omdannes fra en form til en anden. Effekt angives i enheden watt, der forkortes W. En kilowatt-time, der forkortes kwh, er en enhed for energi. Køleskabe og varmepumper I et køleskab bruges elektrisk energi til at drive en pumpe. Ved at fordampe og igen fortætte en væske flyttes der varme fra køleskabets frostboks og til en plade på bagsiden af køleskabet. Den elektriske energi er altså blevet brugt til at flytte varmeenergi. En varmepumpe er et anlæg, der kan bruges til opvarmning af boliger. En varmepumpe virker på samme måde som et køleskab. Der fjernes varme fra et koldt sted. Det kan være luften omkring huset. Og der tilføres varme til et sted, hvor temperaturen er højere. Ved varmepumpen er det ikke luften bag køleskabet, der opvarmes, men luften i huset. Og det kolde sted ligger uden for huset. Det er derfor en varmepumpe undertiden kaldes for et omvendt køleskab. 60

61 ENERGI Energiforbrug Energi, miljø og klima er emner, der over hele verden diskuteres ivrigt. Hvis vi får vores energi ved afbrænding af gas, olie eller kul, tømmer vi undergrunden og forurener atmosfæren. Der tales meget om en bæredygtig udvikling. Det betyder, at vi skal overlade Jorden til de kommende generationer i samme tilstand, som den har nu. Derfor vil der i de kommende år blive gjort en stor indsats for at udvikle nye og miljørigtige energikilder. Samfundets energikilder I Danmark bruger vi flere former for energi. Olie hentes op fra Nordsøen og sendes til land, hvor den laves om til bl.a. benzin. Fra Nordsøen kommer også naturgas, der via rør sendes rundt i landet. Naturgassen bruges til opvarmning af boliger. På elværkerne bruges gas, kul, olie eller halm som brændstof. Ved afbrændingen opvarmes vand i store kedler, så det fordamper. Den varme damp løber gennem turbiner, der er forbundet med generatorer, som laver en elektrisk strøm. Vi får også elektrisk strøm fra udlandet. Noget kommer fra Norge og Sverige, hvor vand fra opdæmmede søer får turbiner til at rotere i vandkraftværker. Lidt elektrisk strøm kommer også fra kernekraftværker i udlandet. Vandkraft er ikke noget, vi kan udnytte i Danmark. Det kræver store højdeforskelle. Det største danske vandkraftværk ved Tange Sø kan kun producere strøm til 1000 husstande. Når vinden blæser, kan vindmøllerne levere elektrisk strøm. Desværre kan vindmøllerne kun levere energi de dage, hvor vinden blæser kraftigt. Danmark er derfor afhængig af, at der kommer forsyninger af kul, olie og naturgas. Disse stoffer kaldes fossile brændstoffer. Fossil betyder gravet op af jorden. Vedvarende energikilder, som vindkraft, vandkraft, solceller, solfangere og biogasanlæg leverer energi, uden at der fjernes noget fra Jorden. De vedvarende energikilder stammer alle fra den energi, Solen udsender nu. Fossile brændstoffer De fossile brændstoffer er dannet i sumpskove for millioner år siden. Kullet er blevet dannet i en periode på over Danmark har de seneste tyve år været førende inden for fremstilling og brug af vindmøller. I starten var vindmøllerne små, men nu bygges der meget store havvindmøller. De største er over 100 meter høje, og møllevingerne er 45 m lange. En sådan vindmølle kan producere elektrisk strøm med en effekt på 3 MW. Det kan få næsten sparepærer til at lyse. Tangeværket ved Bjerringbro er det største danske vandkraftværk. Det kan levere en effekt på 3 MW, der er det samme som en enkelt stor vindmølle kan yde. 61

62 ENERGI Spaltning af uran Neutron Uran Yttrium Iod Tre neutroner Når en neutron rammer en urankerne, kan kernen gå i to stykker, fx en yttriumkerne og en iodkerne. Ved spaltningen af uran er der et par neutroner i overskud. De kan starte en ny spaltning, når de rammer en anden urankerne. Ved omdannelsen af uran til to andre grundstoffer dannes der meget energi. 100 millioner år. Nu brydes det i løbet af få hundrede år. Om der er kul, olie eller naturgas til 100, 00 eller 300 år er set i det store perspektiv ret ligegyldigt. Om 1000 år vil reserverne med garanti være tømt, hvis energiforbruget ikke ændres kraftigt. Derfor skal der tænkes på alternative energikilder. Vindkraft Når vinden blæser kraftigt, kan møllerne i Danmark dække næsten hele samfundets el-behov. Men vinden blæser ikke altid. Derfor skal der bygges almindelige elektricitetsværker, der kan klare el-forsyningen i stille vejr. I gennemsnit dækker vindenergien i 007 omkring 1 % af Danmarks el-forbrug. Det er en ulempe ved vindmøllerne, at de ikke pynter i naturen. Og de støjer, så de bør ikke placeres tæt ved bebyggede områder. En sidste ulempe er, at vi ikke kan sælge strømmen til udlandet, når det blæser rigtig kraftigt. Så blæser det nemlig også i nabolandene, der derfor selv producerer meget vindmøllestrøm. Biobrændsel Der brændes halm i mange danske kraftværker. Halm og træ er biobrændsler, fordi de stammer fra planter. Korn kan omdannes til bioethanol, der bruges som brændstof i biler. Brug af korn som biobrændsel rummer dog et stort etisk problem. Kan vi tillade os, i en verden hvor mange sulter, ikke at bruge markerne til afgrøder, der kan bruges til produktion af fødemidler? Der foregår i øjeblikket en meget stor forskningsindsats for at finde effektive kemiske processer, der kan omdanne indholdet i biomassen til råstoffer, fx bioethanol. Kernekraft Ved kemiske processer bevares alle atomer. De forskellige atomer flytter fra et stof til et andet. Herved opstår den varmeenergi, som kulkraftværkerne bruger til at producere elektricitet. Det er en helt anden proces, der foregår i reaktoren på et kernekraftværk. Når et stort uran-atom med mange protoner og neutroner i atomkernen bliver ramt af en neutron, kan urankernen spaltes i to mindre stykker. Uran-atomet bliver til 6

63 ENERGI to andre grundstoffer. Ved denne spaltning udsendes der flere neutroner, der igen rammer andre urankerner, der herved spaltes. På den måde får man en kædeproces, der fortsætter, så længe der er tilstrækkeligt uran. Når atomkernen spaltes, frigøres der utrolig store energimængder. 1 kg uran kan producere en energimængde, der er to millioner gange større end ved forbrænding af 1 kg carbon. Men der er en række problemer ved kernekraftværkerne. Nogle af de stoffer der dannes, når uran spaltes, kan bruges til fremstilling af kernevåben. Det er meget kraftige bomber, der udnytter samme proces som i reaktorerne. Processen foregår bare så hurtigt, at der kommer en ufattelig kraftig eksplosion. Fremtidens energi I 1700-tallet startede industrialiseringen, dvs. maskiner overtog det arbejde, mennesker tidligere havde udført. Det betød et øget forbrug af energi. Først blev energien skaffet ved forbrænding af kul, senere kom energien fra olien. Men kulminerne og de olieholdige lag i undergrunden vil før eller senere blive tømt. Oliepriserne er stigende, hvilket er et tegn på en begyndende mangel. Inden der er gået nogle hundrede år, må menneskene nødvendigvis gå over til at bruge nye energikilder. Der er kun én energikilde, der er ubegrænset. Det er energien fra Solen. I dag kan solceller producere elektrisk strøm fra Solens lys. Desværre er det kun 0 % af energien i lyset, der kan laves til elektrisk energi. Der er dog håb om, at man om nogle år vil kunne udnytte energien i lyset lidt bedre. Solceller producerer kun energi, når det er lyst. Vindmøller producerer kun energi, når vinden blæser. Der må derfor opfindes metoder til at lagre energien, indtil den skal bruges. En af lagringsmetoderne er at fremstille luftarten hydrogen. Det gøres ved elektrolyse, hvor en elektrisk strøm spalter vand i hydrogen og oxygen. Hydrogenet kan så lagres. Ved at bruge hydrogenet i en brændselscelle skabes igen energi. En af de store udfordringer til fremtidens kemikere og ingeniører vil være at udnytte biomassen til produktion af nødvendige råstoffer. Her skal udvikles nye metoder, så vi ikke længere er afhængige af olien. Kopiark 3.11 og 3.1 Ud over elektrisk energi producerer kernekraftværket også meget spildvarme. For at undgå en opvarmning af floden bruges en stor del af spildvarmen til at fordampe vand, der som damp kommer ud af de to høje køletårne. Nyttige oplysninger De fossile brændstoffer stammer fra Jorden. Vedvarende energikilder er vindkraft, vandkraft, solceller, solfangere og biogasanlæg De vedvarende energikilder får deres energi fra Solen. 63

64 CAFE KOSMOS KROP OG ENERGI Det er nødvendigt at spise og drikke for at leve og kunne arbejde. I kroppen bliver føden omdannet, så musklerne kan udføre et arbejde. Føden bruges også til at holde kroppen varm. Din krop er en motor, der udfører et arbejde og sender spildvarme til omgivelserne. I kroppen er energien dog ikke bevaret på samme måde som i en motor. Får du mere energi ind gennem munden, end du skal bruge, så bliver kroppen tungere. FORBRÆNDINGEN I KROPPEN Et menneske skal bruge næringsstoffer for at fungere. Næringsstofferne i kosten er kulhydrater, fedtstoffer og proteiner. I kroppen foregår en forbrænding af næringsstofferne. Processen ligner den, der sker, når træ brænder. I kroppen er det dog en kold forbrænding uden flammer. Efter omdannelse i mund, mave og tarm vil næringsstofferne med blodet blive ført ud til cellerne, fx i musklerne, hvor der sker en forbrænding. Ved forbrændingen bliver næringsstofferne sammen med oxygenet til vand, carbondioxid, et stof med navnet ATP og nogle restprodukter. Ved processen dannes der varme, så kroppen kan holde sin temperatur. Carbondioxidet afgives med udåndingsluften. Restprodukterne bliver fjernet fra kroppen gennem afføring og urin. Stoffet ATP, adenosintriphosphat, gemmer energien i en form, som cellerne senere kan bruge. Ikke alle næringsstoffer forbrændes straks. Rundt i kroppen opbygges der depoter af kulhydrater og fedtstoffer. Herfra kan der senere frigøres ATP, når der er behov for mere energi, fx ved løb eller cykling. Spiser man for meget, bliver depoterne for store. Man tager på i vægt. Når man arbejder, tæres der på depoterne. KROPPEN SOM MOTOR Bjergrytteren Michael Rasmussen blev i 007 smidt ud af cykelløbet Tour de France, fordi han ikke havde oplyst, hvor han opholdt sig i en periode inden løbet. En motor tilføres energi i form af fx benzin. Motoren bruger en del af brændstoffets energi til at udføre et arbejde. Resten af energien går 64

65 CAFE KOSMOS timer yde 300 watt. Ved cykling med pæn fart kræves en effekt på omkring 100 watt. De fleste vil nok mene, at en effektydelse omkring 100 watt er ganske trættende. KROPPENS SPILDVARME tabt, især som et varmespild. Kroppen fungerer også som en motor. Din krop skal hver dag have tilført energi på omkring kj (ti millioner joule). Proteiner og kulhydrater indeholder omkring 17 kj/g, mens fedtstoffer indeholder omkring 3 kj/g. Det betyder, at kroppen hver dag skal have tilført ca. et halvt kilogram næringsstoffer. Aktive personer og børn i voksealderen skal spise mere. Får man for meget, bliver man tykkere, får man for lidt, bliver man tyndere. Men det går langsomt. Drikker man fx hver dag 0,5 L sodavand ud over de næringsstoffer, der er nødvendige, vil man i løbet af et år få en masse, der er næsten 10 kg højere, end ens naturlige masse. Det tager også lang tid at få kropsvægten ned, hvis man nøjes med at spise mindre. Dyrker man motion, går det meget hurtigere. Heldigvis er kroppen god til at regulere fødeindtagelsen. Sult- og mæthedsfornemmelser sørger for, at de fleste spiser netop den mængde, der er nødvendig. Dog er der en del kulhydratholdige næringsmidler, fx slik, chips og sodavand, der ikke giver en tilstrækkelig mæthedsfornemmelse. Får man for meget mad af denne type, er der risiko for overvægt. Energien fra forbrændingen benyttes til at holde kroppens hvilestofskifte i gang. Hjertet skal pumpe, organer som mave og lever skal arbejde. Kroppens celler skal opretholde elektriske spændingsforskelle over cellevæggene, så der kan løbe signaler i nerverne, og så stoffer kan transporteres ud og ind af cellerne. En stor del, ca. 7 MJ, af den daglige energimængde fra føden går til dette hvilestofskifte. KROPPENS EFFEKTFORBRUG Effekt er energi pr. tid. Når det daglige forbrug hos et menneske i hvile er 7 MJ, svarer det til en effekt på 7 MJ/døgn. Da 1 døgn = sekunder er hvileeffekten /( ) = ca. 0 watt. Det er lidt mere end forbruget i en almindelig el-pære. Dyrker man idræt, bliver forbruget hurtigt større. På mange kondicykler kan man indstille modstanden, så den svarer til en bestemt effekt. En toptrænet cykelrytter kan i flere 65 Kroppens energi kommer ind med maden. Udfører man intet arbejde, bliver madens energi kun brugt til at holde kroppen i gang. Energien forsvinder som varme. Når man arbejder, bruger man mere energi, så der kræves en større energitilførsel. Der kommer også en større varmeafgivelse. Denne spilvarme afgives især som sved. På den måde styres kroppens temperatur. Der skal bruges varme, for at sveden kan fordampe. Herved afkøles kroppen. Biler og mennesker har det på samme måde: Uden energi kan der ikke udføres et arbejde.

66 DET VED DU NU OM ENERGI ENERGIENS MANGE FORMER ENERGIBEVARELSE OG VARME Det arbejde en kraft udfører på en genstand, er kraftens størrelse ganget med den strækning, genstanden flyttes. Arbejde angives i enheden joule, der forkortes J. Beliggenhedsenergi og bevægelsesenergi er to energiformer. Potentiel energi og kinetisk energi er de internationale navne for beliggenheds- og bevægelsesenergi. Alle ting falder lige hurtigt, når der ikke er luftmodstand. Det er en naturlov, at energien er bevaret. Varmeenergi dannes bl.a., når der er gnidningskræfter. Varmeenergi er et udtryk for molekylernes bevægelsesenergi. Varme er energi, der flytter sig fra steder med høj temperatur til steder med lav temperatur. Varmeenergi blev tidligere angivet i enheden kalorie, der forkortes cal. ENERGI I SAMFUNDET ENERGIFORBRUG Effekt er et udtryk for, hvor hurtigt en energi omdannes fra en form til en anden. Effekt angives i enheden watt, der forkortes W. En kilowatt-time, der forkortes kwh, er en enhed for energi. De fossile brændstoffer stammer fra Jorden. Vedvarende energikilder er vindkraft, vandkraft, solceller, solfangere og biogasanlæg. 66 De vedvarende energikilder får deres energi fra Solen.

67 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Et lille barn i en gynge slippes lidt oppe. Hvis barnet sidder stille, vil gyngen til sidst standse. Hvad er der sket med barnets beliggenhedsenergi? Hvorfor bliver en cykelpumpe varm, når du pumper dit dæk op? Hvad vil det sige, at energien er en bevaret størrelse? Hvad er enheden for energi? Hvad er enheden for effekt? Hvad er enheden for varmeenergi? Angiv mindst to naturlove. Angiv mindst fem energiformer. Hvad er en kalorie? UDFORDRING Beskriv energiens vej fra Solen via en vindmølle til boligopvarmning. Brug oplysninger fra Energistyrelsen til at finde ud af, hvor meget energi der bruges i danske husholdninger i form af elektricitet. Hvad koster 1 megajoule energi, hvis man køber energien som benzin og som elektricitet? Hvor mange joule skal tilføres 1 liter vand, hvis vandet skal opvarmes fra 0 til 100 C? Hvilke energiformer findes i dit hjem? 67

68

69 Lyd og lys LYD LYS ANVENDELSER AF LYS ANVENDELSER AF LYD CAFE KOSMOS: ALLE REGNBUENS FARVER Det er herligt at være til koncert. Skønne rytmer og flotte lysvirkninger. Fra store højttalere kommer musikkens dybe toner, der kan få glassene til at ryste. Nogle lamper udsender ultraviolet lys, som ikke kan ses. Men strålerne fra disse lamper får alligevel hvide bluser til at lyse med et underligt, blåligt skær. Vi sanser verden med øret og øjet. Vi hører lyd, og vi ser lys. Men der findes lyde, der ikke kan høres, og lys, der ikke kan ses. Med ekkoet fra de lyde, som vores øre ikke kan høre, kan man se et foster i moderens mave. En stor del af strålingen fra Solen kan heller ikke ses. Noget af dette usynlige lys rammer os som farlig UV-stråling, der kan skade huden. Hvorfor bruger mange mennesker briller? Hvordan opstår en regnbue? Hvad er et ekko? Hvad vil det sige, at toner er høje? Hvad er et lyslederkabel? 69

70 LYD OG LYS I december 004 dræbte en tsunami næsten mennesker langs kysterne ved Det Indiske Ocean. En tsunami er en helt særlig bølge i havet. Den kan opstå, når havbunden ved et jordskælv pludselig løfter sig. Der kommer en top på vandet over det sted, hvor jordskælvet foregår. Bølgetoppen vil nu bevæge sig til alle sider på havoverfladen med en fart som et jetfly, omkring 00 km/t. Farten bliver dog langt mindre, når bølgen kommer ind på lavt vand. Til gengæld bliver vandet skubbet sammen til en smal, men meget høj bølge. Bl.a. på Sumatra og i Thailand var bølgen over 10 meter høj, da den ramte kysten. Frekvens måles i hertz Er der 1000 svingninger hvert sekund, siger man, at frekvensen er 1000 hertz. Enheden hertz betyder svingninger pr. sekund. Frekvensen 1000 hertz skrives kort som 1000 Hz. 1 hertz = 1 Hz = 1 svingning pr. sekund. Lyd Der er bølger på havet. Ved stranden har alle mærket, hvordan vandet bevæger sig op og ned, og hvordan bølgerne bevæger sig frem. Men der er også bølger mange andre steder. En guitarstreng, et stemmebånd eller en højttaler kan lave bølger i luft. Det kaldes lyd. Lyd er bølger Når en guitarstreng svinger frem og tilbage, skubber den til luften. Derfor vil luften foran strengen blive presset sammen. Områder med lidt højere eller lidt lavere tryk vil nu bevæge sig væk fra guitaren. Det er helt ligesom bølger på vand, hvor bølgetoppe og dale bevæger sig hen over vandoverfladen. Ved vandbølger er det forhøjninger på vandet, der bevæger sig frem. Ved lydbølger er det områder med høje og lave tryk, der bevæger sig. Lydbølger i luft bevæger sig hurtigt. Lydens fart er ca. 340 m/s. Det er svarer til ca. 100 km/t. Frekvens Musik kan have høje eller dybe toner. En dyb tone betyder, at lydbølgen kun svinger få gange hvert sekund. Man siger, at frekvensen er lav. Frekvensen er antallet af svingninger hvert sekund. Ved de dybeste toner, der kan høres af mennesker, er der kun ca. 0 svingninger hvert sekund. De højeste toner, vi kan høre, har en frekvens på omkring svingninger pr. sekund. 70

71 LYD OG LYS EKSPERIMENT Måling af lydens fart Lydens fart findes ved at måle forskellen i ankomsttid for et lydsignal med to mikrofoner, der står lidt fra hinanden. To mikrofoner kobles til en impulstæller. Når et lydsignal høres af den ene mikrofon, starter impulstælleren. Når lydsignalet høres af den anden mikrofon, stopper impulstælleren. Mens impulstælleren er åben, vil den tælle til 1000 i hvert sekund. Mikrofonerne skal stå ca. to meter fra hinanden. Afstanden mellem mikrofonerne måles nøjagtigt. En elev stiller sig på linje med mikrofonerne. Eleven slår to træstykker mod hinanden. Impulstælleren viser nu den tid, lyden har været om at bevæge sig fra den ene til den anden mikrofon. Lydens fart kan bestemmes, da Lydens fart = Afstanden mellem mikrofonerne (i meter) Tidsforskellen mellem mikrofonerne (i sekunder) Gentag eksperimentet et par gange. Brug også andre afstande mellem mikrofonerne. Bølgelængde På stranden kan man se, at afstanden mellem to bølgetoppe normalt er omkring et par meter. Denne afstand kaldes bølgelængden. Lydbølger har også en bølgelængde. Man kan finde bølgelængden for en lydbølge med frekvensen 50 hertz ved at undersøge, hvad der sker i et sekund. I den tid har bølgen bevæget sig 340 meter. Der er altså 50 bølgetoppe på de 340 meter. Derfor kan bølgelængden findes som 340 meter divideret med 50. Det giver en bølgelængde på 6, meter. Bølgelængden kan altså findes ud fra udtrykket Fart, frekvens og bølgelængde For en bølge gælder følgende sammenhænge mellem fart, frekvens og bølgelængde: Fart Bølgelængde = Frekvens Fart Frekvens = Bølgelængde Fart = Bølgelængde Frekvens Bølgelængde = Lydens fart Frekvens For en høj tone med frekvensen hertz er bølgelængden bare cm. Kopiark

72 LYD OG LYS Det er vigtigt, at der er samme tryk på begge sider af trommehinden. Derfor er mellemøret i forbindelse med svælget gennem det eustakiske rør. Dette rør er normalt lukket, men åbnes, når man synker eller gaber. Når man har mellemørebetændelse, er det eustakiske rør helt lukket. Så gør det meget ondt, fordi trykket i mellemøret bliver lavt. Som en march Sidste sats i Beethovens 9. symfoni De første toner i EU s nationalmelodi, Ode an die Freude, som er skrevet af Ludwig van Beethoven. Hver prik svarer til en tone med en bestemt frekvens. Den node, der svarer til tonen a, ligger i næstnederste mellemrum på nodepapiret. Mellemøre Trommehinde Snegl Eustakisk rør Toner En lyd, der kun består af en enkelt frekvens, kaldes en tone. Toner med en stor frekvens kaldes høje toner. En stemmegaffel er et U-formet metalstykke. Slår man på en stemmegaffel, udsender den en tone. Stemmegaflen står tit på en trækasse, der forstærker lyden. For at musik skal lyde godt, må alle instrumenter lave en lyd med samme frekvens, når en bestemt tone skal spilles. Musikerne stemmer derfor deres instrumenter, inden der skal spilles. Når instrumenterne stemmes, bruges en stemmegaffel med frekvensen 440 Hz. Det er tonen a, der kaldes kammertonen. På en guitar spilles kammertonen med streng nr.. Denne streng skal derfor spændes, så den svinger med præcis 440 Hz. Øret Mennesker hører med to ører, men nogle insekter har det på en anden måde. De hører med benene! Hos mennesker får lydbølgerne trommehinden i øret til at svinge i takt med lyden. De små bevægelser forstærkes af nogle knogler i mellemøret, så svingningerne bliver 10 gange større. Det påvirker nu en anden hinde, som omslutter et væskefyldt område, der kaldes sneglen. I sneglen sidder ca små hår, der kan registrere svingningerne. Hver tone påvirker kun bestemte hår. Disse sansehår eller sanseceller er i forbindelse med hjernen, der laver svingningerne om til sanseindtryk. Hos nogle insekter sidder sansehårene på benene. Det er derfor, man kan sige, at de hører med benene. Høreskader Hvis man udsættes for meget kraftige lyde eller voldsom støj, kan sansehårene tage skade. Og skaden kan ikke gøres god igen. Det er derfor vigtigt, at man i støjfyldte områder bruger høreværn, der dæmper lyden. Rockmusikere bruger øreprop- 7

73 LYD OG LYS Sansehårene på billedet til venstre svinger i takt med lydbølgerne. Billedet til højre viser samme område i øret hos en døv person. De regelmæssige grupper af små, parallelle sansehår findes ikke længere. per, mens de er på scenen. Ellers vil de hurtigt miste meget af hørelsen. De sansehår, der mærker de høje toner, bliver mindre følsomme, når man bliver ældre. Derfor kan mange ældre have svært ved at høre fx høje ringetoner. Hvor kommer lyden fra? Alle mennesker har to ører. Det er en nyttig egenskab, fordi man herved kan bestemme retningen til det sted, en lyd kommer fra. Så kan man i tide undgå mange farer. Hvis der i fortiden har eksisteret dyr med kun ét øre, ville de hurtigt tabe kampen for overlevelse til dyr med to ører. Der er to grunde til, at vi kan bestemme retningen til det sted, en lyd kommer fra. Dels er lyden kraftigst i det øre, der er nærmest lydkilden. Dels er der en lille forskel i tid mellem lydens ankomst til ørerne. Kommer lyden fra siden, vil det ene øre høre lyden knap et millisekund, dvs. en tusindedel af et sekund, inden det andet. Øret og hjernen virker hurtigt nok til at opdage, hvor lyden kommer fra. Kopiark 4. og 4.3 Nyttige oplysninger Lyd er en trykbølge, der i luft bevæger sig med en fart på ca. 340 m/s. Bølgelængden er afstanden mellem to bølgetoppe. En bølges frekvens er antallet af svingninger hvert sekund. Enheden for frekvens er hertz, hvor fx 1 Hz netop er 1 svingning pr. sekund. Menneskets øre kan høre frekvenser mellem 0 Hz og Hz. 73

74 LYD OG LYS Tier-potenser Præfiks Størrelse Tier-potens Forkortelse giga G mega M kilo k hekto h deci d centi c milli m mikro µ (my) nano n Bølgelængder for elektromagnetisk stråling Lys Hvad er lys? I gamle dage mente mange, at lys var små partikler, der bevægede sig bort fra lysende genstande. Hver partikel havde sin egen farve. Andre mente, at lys var en bølgebevægelse. Det har meget senere vist sig, at begge parter havde ret! Lys er bølger, men ligesom alle stoffer har en mindste enhed, et atom, så har lys også en mindste enhed, en foton. Lys som bølger Lys har forskellige bølgelængder. Øjet kan se lys med bølgelængder mellem 400 nm og 00 nm. Husk, at 1 nm = 1 nanometer = 10 9 m, dvs. en milliardtedel af en meter eller en milliontedel af en millimeter. Det betyder, at der ligger omkring 000 bølgetoppe på en millimeter. Lysbølgen består af et magnetisk og elektrisk felt, der hele tiden ændrer størrelse. Lys er derfor en såkaldt elektromagnetisk stråling. Der findes mange andre slags elektromagnetisk stråling. Røntgenstråling, som bruges på hospitalerne til at se brækkede knogler, har en meget mindre bølgelængde end lys. Strålingen i mikrobølgeovne og i de tv-signaler, der modtages af fx parabolantenner, har en meget længere bølgelængde. I kapitel 6 fortælles, at elektronerne i et atom ligger i skaller omkring atomkernen. Lys opstår, når en elektron springer fra en skal i atomet til en anden, der er tættere på kernen. Ved et elektronspring opstår en bølge, der bevæger sig med lysets fart, der er km/s. røntgen synligt lys tv radar og mikrobølgeovne Bølgelængde m ultraviolet lys infrarødt lys mellem- og langbølgeradio 74

75 LYD OG LYS Indfaldsloddet Den linje, der står vinkelret på spejlet, kaldes indfaldsloddet. Vinklen mellem indfaldsloddet og en lysstråle, der rammer spejlet, kaldes indfaldsvinklen. Den tilsvarende vinkel for den spejlede stråle kaldes udfaldsvinklen. Udfaldsvinklen er altid lige så stor som indfaldsvinklen. Indfaldsvinkel Udfaldsvinkel Spejling Prøv at læse den mystiske overskrift i et spejl. Man siger, at overskriften er spejlvendt. Spejle har en blank overflade, der kaster lyset tilbage. Lyset reflekteres. Rammer en lysstråle en blank flade, vil strålen blive kastet tilbage, så den forlader fladen med en vinkel, der er den samme, som den ramte fladen med. Ved spejling gælder, at udfaldsvinklen er lige så stor som indfaldsvinklen. Kigger man i et spejl, ser man sit spejlbillede, der ligger bag spejlets overflade. Billedet er spejlvendt, dvs. venstre side af personen bliver til højre side på billedet i spejlet. Kopiark 4.4, 4.5, 4.6 og 6. Lysets brydning Når en lysstråle går fra et stof og ind i et andet, fx fra luft til glas eller fra luft til vand, vil strålens retning blive ændret. Den brydes. På tegningen er vist en lysstråle fra en mønt på bunden af et glas vand. Strålen ændrer retning, når den kommer ud i luften. Derfor ser det for øjet ud, som om mønten ligger et stykke over bunden på glasset. Kopiark 4.7 Lysstråler fra mønten på bunden af glasset brydes i vandoverfladen. Det ser derfor ud som om mønten er tættere på overfladen, end den er i virkeligheden. Stikker man en blyant ned i vandet, ser det ud, som om blyanten knækker i overfladen. 75

76 LYD OG LYS Refleksbrikker I mørke skal man have refleksbrikker på cyklen, trøjen og skoletasken. Refleksbrikker består af en masse små trekantede spejle. Disse spejle sender altid lyset tilbage i præcis samme retning, som det kom fra. På tegningen er vist en lysstråle, der rammer ind mod to spejle, der danner en ret vinkel, 90, med hinanden. Lysstrålen vil efter to spejlinger bevæge sig tilbage i samme retning, som den kom fra. Når lyset fra en billygte rammer refleksbrikken, vil lyset altid blive sendt tilbage til bilen. Prismer og farver Et glas-prisme er en trekantformet glasklods. Sendes en lysstråle ind mod prismet, vil lysstrålen brydes to gange. Både når den går ind i glasset, og når den går ud. Men der kommer desuden et overraskende fænomen, et farvespektrum. Det viser de farver, der var i lyset, som ramte prismet. De forskellige farver brydes nemlig forskelligt. Det røde lys brydes mindst. Det blå og violette brydes kraftigst. Midt i spektret ligger det gule og det grønne lys. Det lys, der kommer fra Solen, indeholder alle spektrets farver. De kan ses, ved at sende solstråler gennem et prisme. Lys fra en laser har kun én farve. Der kommer derfor kun en enkelt farve ud af et prisme, der rammes af en laserstråle. Kopiark 4. Når en lysstråle rammer et prisme, kan man se de farver, som lysstrålen indeholder. 76

77 LYD OG LYS EKSPERIMENT Brydning og total refleksion Lyset fra en laser sendes ned mod vandoverfladen i et akvarium. Læg mærke til, hvordan brydningsvinklen er anderledes end indfaldsvinklen. Lysstrålen sendes derefter lodret ned mod et spejl på bunden af akvariet. Ved at dreje spejlet, kan man få lysstrålen til nedefra at ramme vandoverfladen under forskellige vinkler. Undersøg, hvad der sker, når spejlet drejes. Når strålen ikke kan komme op fra vandet, skyldes det en mærkelig effekt, der hedder total spejling eller total refleksion. En stråle nede fra vandet kan kun slippe ud i luften, når den danner en stor vinkel med overfladen, dvs. når indfaldsvinklen er lille. Den totale refleksion kan også opstå, når lys sendes fra glas og ud til luften. Hvis man nede fra bunden af vandet i en svømmehal kigger op mod overfladen, kan man kun se gennem vandet i et cirkelformet område lige over hovedet. Længere ude i siden virker overfladen som et spejl. Det skyldes den totale spejling. Linser Linser kan ligesom prismer afbøje lysstråler. I en linse bliver lys, der rammer ude i kanten, afbøjet mere, end det lys, der går gennem linsen tæt ved midten. Det betyder, at alt lyset fra et bestemt sted, der ligger langt fra linsen, vil blive samlet i et enkelt punkt, brændpunktet. En linse, der samler lyset, kaldes en samlelinse. Den er tykkest på midten. En samlelinse kan lave et billede af en genstand. Det benyttes i kameraer, hvor der dannes et billede, på en plade, der gemmer oplysninger om lysstyrke og farve. Også i øjet danner en samlelinse et billede af det, man ser. I et brændglas samles al energien fra sollyset i et lille punkt. Her bliver der så varmt, at man kan sætte ild i fx papir. Kopiark 4.9 Stråler fra lysets flamme skærer hinanden i samme punkt. Her dannes et billede af lyset. Hvis lyset er langt fra linsen, ligger billedet i samme afstand fra linsen som brændpunktet. 77

78 LYD OG LYS Linsen i øjet danner et billede på nethinden. Nogle muskler kan trække i linsen, så dens brændvidde ændres lidt. På den måde kan man se skarpt på nære og fjerne ting. Hvis øjets linse ikke kan danne et skarpt billede på nethinden, må man bruge briller eller kontaktlinser. Med en samlelinse kan billedet flyttes længere frem i øjet. Med en spredelinse, som er en linse, der er tyndest på midten, flyttes billedet længere tilbage i øjet. Hornhinde Linse Nethinde Pupil Nyttige oplysninger Lys er en bølge, der består af svingende elektriske og magnetiske felter. Sollyset er sammensat af alle spektrets farver, rød, orange, gul, grøn, blå og violet. Ved spejling er udfaldsvinklen lige så stor som indfaldsvinklen. En lysstråle brydes, når den går fra et materiale til et andet. Forskellige farver brydes forskelligt. Rød brydes mindst, og violet brydes mest. Regnbuehinde Glaslegeme Synsnerve Øjet Øjet er et fantastisk organ. Lyset kommer ind i øjet gennem pupillen, der er den mørke åbning midt i øjet. Pupillen trækker sig sammen, hvis der er meget lys, mens den åbner sig i mørke. Bag pupillen sidder en linse, der bryder lyset, så der på nethinden dannes et billede af det, man ser. Nethinden er bagvæggen i øjet. Billedet på nethinden står på hovedet, men hjernen sørger for, at vi opfatter verden med den rigtige ende opad. På nethinden sidder over 100 millioner små celler, de såkaldte stave, der mærker, om der er lys eller mørke. Desuden er der ca. 7 millioner farvefølsomme celler i øjet. De hedder tappe. Der findes tre forskellige slags tappe, der hver kun registrerer farver i et bestemt farveområde. Én type ser især blå farver, en anden de grønne og den tredje de røde farver. Nervesignalerne fra de mange millioner tappe og stave bliver så i hjernen omdannet til et synsindtryk. Tappene, der reagerer på forskellige farver, sidder især i midten af det indre øjes bagside. Stavene sidder spredt over hele øjets bagside, men ikke i midten. Det betyder, at man kun kan skelne mellem forskellige farver i midten af synsfeltet. Til gengæld er mennesker meget følsomme over for ændringer i lysstyrke i udkanten af synsfeltet. Kopiark 4.10 og

79 LYD OG LYS Anvendelser af lys Får man patent på en opfindelse, har man som den eneste lov til at udnytte den. Andre må ikke fremstille og dermed tjene penge på opfindelsen. I 1951 søgte den danske opfinder Holger Møller Hansen om at få patent på et nyt apparat. Hans patentansøgning blev afvist, fordi opfindelsen kun udnyttede kendt viden om total refleksion. Alligevel fik et japansk firma 0 år senere patent på helt samme opfindelse. Holger Møller Hansens opfindelse var et endoskop. Et endoskop bruges af læger til at se ind i fx mavesækken. I endoskopet er der to tynde tråde af glas. Gennem den ene sendes der lys. Gennem den anden kan lægen kigge. I nogle endoskoper er den ene glastråd erstattet af en ledning til et minivideokamera. Ved at føre endoskopet gennem en blodåre kan lægen få det helt op til hjertet, så man også kan se det indefra. Lyslederkabler Da telefonsystemet blev indført, løb samtalerne som elektriske signaler i ledninger af kobber. Der kunne kun føres én samtale i hver ledning. Teknikken blev senere udviklet, så der kunne føres mange samtaler på hver kobberledning. I dag er de fleste kobberledninger erstattet af tynde glastråde, de såkaldte lyslederkabler. Talen i telefonen kodes om til en række korte lysglimt. Hos modtageren omdannes disse lysglimt igen til tale. Lysglimtene er utrolig korte. De varer mindre end en milliardtedel af et sekund. Der er derfor plads til rigtig mange samtaler i hvert lyslederkabel. Sendes en lysstråle ind i en tynd glastråd, kan den ikke komme ud gennem siderne på tråden. Den bliver totalt reflekteret, hver gang den rammer trådens sider. Lysstrålen kan derfor bevæge sig langt inde i en glastråd. Bilmekanikere bruger også endoskoper. Her undersøges en bil for rust. I lyslederkabler reflekteres lyset på den indre overflade af den tynde glastråd. Lyset kan ikke slippe ud af trådens sider. Det er det samme, der foregår i de lamper, der i toppen har et bundt af tynde tråde. 79

80 LYD OG LYS Der forskes meget i udviklingen af bedre og billigere lyslederkabler. Et godt kabel kræver, at glasset er meget rent, så lyset ikke dæmpes. I de allerbedste glastyper har lyset kun mistet halvdelen af sin intensitet, når det har bevæget sig gennem 15 km glas. I 00 benyttes lyslederkabler til alle hurtige forbindelser til internettet. Glastråden i kablet er meget tynd. Diameteren er normalt mindre end 0,01 mm. Hvis en netforbindelse til en computer kan klare 10 gigabits/s (giga står for 10 9 ), betyder det, at der kommer millioner lysglimt hvert sekund. Tidligere, da sendehastigheden var mindre, kunne man ikke se tv på computeren og heller ikke downloade store filer på kort tid. Kopiark 4.1 Røntgenbillede af en hånd med dens mange små knogler. Hånden har et brud, hvor den røde ring er tegnet ind. Røntgenstråler Læger kan se ind i kroppen ved at udnytte lysledere i endoskoper, men læger kan også se med lys, der ligger uden for det synlige område. Røntgenstråler er stråling af helt samme type som lys, blot er bølgelængen meget kortere. Røntgenstråling kan bevæge sig gennem stoffer, der ikke er gennemsigtige for almindeligt lys. Sendes røntgenstråler mod en patient, vil der på den anden side af patienten kunne optages et skyggebillede, hvor der er tydelig forskel på knogler og muskler. UV-stråling Sollys består af lys med forskellige farver. Men sollyset indeholder også ultraviolet lys, der kaldes UV-lys. Det er lys med en bølgelængde, der er mindre end bølgelængden af synligt lys. Det er især de ultraviolette stråler, der gør kroppen solbrændt om sommeren. Nogle af bølgelængderne er meget farlige, fordi de kan fremkalde hudkræft. Derfor skal man bruge solcreme om sommeren. Kræftrisikoen er også årsagen til, at læger fraråder børn (og voksne) at benytte solarier. Lysstofrørene her udsender nemlig farlige ultraviolette stråler. Infrarødt lys Stråling med længere bølgelængde end rødt lys, såkaldt infrarødt lys, er også usynligt for mennesker. Varmelamper udsen- 0

81 LYD OG LYS der både synligt rødt lys og usynlig varmestråling. Varmestråling er infrarødt lys. Fjernbetjeninger bruger infrarødt lys, tit med en bølgelængde på 900 nm. Da mennesker kun kan se lys i intervallet fra 400 nm til 00 nm, kommer der altså usynligt lys fra fjernbetjeningen. Digitalkameraer og mobiltelefonernes kameraer kan dog se dette lys. Det skyldes, at den komponent, fotochippen, der registrerer lyset, kan se i et lidt større bølgelængdeområde end det menneskelige øje. Prøv, om kameraet i din mobiltelefon kan se fjernbetjeningens usynlige lys. I en lysdiode eller en LED (Light Emitting Diode, lys udsendende diode) kommer lyset fra en lille krystal. Den lyser, når der løber en strøm gennem den. Uden om dioden er et plastmateriale, der spreder lyset i alle retninger. Lysdioder og andre lyskilder I slutningen af 100-tallet blev stearinlys og petroleumslamper erstattet af elektriske pærer som lyskilde i boliger. Det var en revolution. Nu var det ikke længere en luksus at kunne læse om aftenen, når det var blevet mørkt. En elektrisk pære eller en glødelampe består af en meget tynd tråd af wolfram, der er snoet som en spiral. Tråden er anbragt i en glasbeholder, der er fyldt med en ædelgas, se kapitel 5. En elektrisk strøm varmer tråden op, så den gløder. Herved udsender den lys, men desværre også megen energi i form af varme. Kun 5 % af den elektriske energi bliver til lys i glødelampen. 1

82 LYD OG LYS Hvorfor er himlen blå? Når Solen står op, er der morgenrøde. Både Solen og skyerne ser røde ud. Det skyldes, at sollyset om morgenen skal bevæge sig langt gennem atmosfæren. Støvpartikler i atmosfæren spreder især de blå farver i sollyset, så derfor er der meget rødt lys tilbage i horisonten. Det er den samme spredning, der får himlen til at være blå om dagen. EKSPERIMENT Fyld et stort bægerglas med vand, og anbring det på en overheadprojektor. Når projektoren er tændt, er der ingen forskel på farverne på skærmen og på siden af glasset. Hæld en lille smule mælk i vandet. Læg nu mærke til, om der er samme farve på skærmen og på siderne af glasset. Mælken virker på samme måde som støvpartiklerne i luften. Farverne på skærmen svarer til Solen ved solopgang eller solnedgang. Mælken spreder de blå farver, så der kommer et rødligt skær på skærmen, mens siderne i bægerglasset bliver svagt blåfarvede. Glassets sider svarer til den blå himmel. Nyttige oplysninger En lysleder er et meget tyndt rør af glas. Lys kan ikke slippe ud af lyslederen, fordi lyset bliver totalt tilbagekastet af glasoverfladen. Lyslederkabler er meget effektive til hurtig overførsel af store mængder information. Lysdioder skaber lys, uden at energien spildes som varme. Senere blev lysstofrør og energisparepærer opfundet. Her springer der 50 gange hvert sekund en gnist gennem en gas. På indersiden af glasset er der stoffer, som lyser, mens gnisten springer. Den slags lyskilder er mere økonomiske. Omkring 5 % af energien vil normalt blive omdannet til lys. Den nyeste lyskilde er lysdioden. I lysdioder udsendes lys, uden at der er en høj temperatur som i almindelige glødelamper Lysdioder vil antagelig blive fremtidens lyskilde. De har en meget lang levetid, op til 100 gange længere end glødelamper. I de bedste lysdioder bliver op mod halvdelen af den elektriske energi udsendt som lys. Der er dog i 00 stadig uløste problemer. En lysdiode udsender kun lys med en bestemt farve, så der skal sættes flere forskellige typer sammen, for at man får et behageligt lys. Og lysdioder til boligoplysning er dyre. Kopiark 4.13

83 LYD OG LYS Anvendelser af lyd I forrige afsnit blev fortalt, at der findes lys, der ikke kan ses af menneskets øje. Der findes også lyd, der ikke kan høres af menneskets øre. Ultralyd Ultralyd er lydsvingninger med toner, der er højere end 0 khz (0 000 Hz). Ultralyd kan altså ikke høres, men opfører sig ellers som almindelig lyd. Ultralyden kan give et ekko, når den rammer en forhindring. Helt på samme måde som almindelig lyd, der kastes tilbage fra en mur. Flagermus ser om natten med lydbølger. Små flagermus kan udsende lyde med en frekvens på Hz. Det er en tone, som mennesker ikke kan høre. Rammer skriget fra en flagermus et insekt, kastes lyden tilbage som et ekko. Flagermusen kan ud fra ekkoet bestemme, hvor insektet er. Øjnene på små flagermus er ikke særlig gode, så man kan derfor sige, at flagermus ser med lydbølger. Lyd i en konkylie Holder du en konkylie op til øret, lyder det, som om havet bruser i den. Der er naturligvis ikke gemt lyde fra havet i konkylien. Det er derimod lyden fra dit strømmende blod, du hører! Konkylien skærmer for lyd udefra. Lyden fra det strømmende blod rammer konkylien, forstærkes og kastes som et ekko tilbage. Det vil lyde som en susen. Ultralyd benyttes af læger og jordemødre. Ultralyd kastes tilbage fra områder, hvor tætheden ændrer sig. Det er således muligt at se et foster i moderens mave. Helt på samme måde ligesom flagermusene ser deres føde. 3

84 LYD OG LYS Ved fartmålinger bruger politiet dopplereffekten. Frekvensen af det ekko, som bilen udsender, afhænger af, hvor hurtigt bilen kører. Det er dog ikke lyd, men radarstråling der bruges. GB-4.3 Tegning af ambulance, der passerer en elev. Se rne/eos/text/doppler_effect.htm l, hvor der er et fint eksempel. Spektrum side 31 kan måske også inspirere. Frekvensen af et udrykningssignal stiger, når ambulancen nærmer sig, fordi bølgelængden bliver kortere. Nyttige oplysninger Ultralyd er lyd med frekvenser over Hz. Dopplereffekten er den ændring i frekvens, der høres, når en lydgiver bevæger sig. Dopplereffekt Når en ambulance med udrykning kører forbi, kan man høre, at lyden ændrer sig. Det kaldes dopplereffekten opkaldt efter den østrigske fysiker Christian Doppler. Lyden fra sirenen har højere toner, dvs. en højere frekvens, mens ambulancen nærmer sig. Når ambulancen kører væk igen, hører man en dybere lyd. Noget i retning af: di-di, di-di, di-da, da-da, da-da. Hvis et horn udsender en lyd med frekvensen 50 Hz, modtager en lyttende person naturligvis 50 bølgetoppe hvert sekund. Men hvis hornet sidder i en ambulance, der kører hen mod dig, se tegningen, bliver lydbølgerne presset sammen. Bølgelængden bliver mindre og frekvensen højere. Når ambulancen er kørt forbi, bliver lyden trukket ud, og tonerne bliver dybere. Lys har ligesom lyd en dopplereffekt. Det er noget astronomerne bruger. Bølgelængden, dvs. farven, af lyset fra en stjerne ændrer sig, når stjernen bevæger sig. Ved præcist at undersøge lyset fra fjerne stjerner, kan astronomerne bestemme, hvor hurtigt stjernerne bevæger sig i forhold til os. Det viser sig, at næsten alle bevæger sig væk fra os. Universet udvider sig. Kopiark

85 LYD OG LYS EKSPERIMENT Lyd plus lyd giver stilhed Med en mikrofon, en forstærker og et oscilloskop kan man på en skærm se et billede af lydens svingninger. Et oscilloskop er en slags voltmeter med fjernsynsskærm. Det måler en elektrisk spænding. Derefter viser det spændingen på en skærm. På den måde kan man se, hvordan spændingen ændrer sig, når tiden går. Når du taler, ser svingningerne helt tilfældige ud. Forsøg at synge eller fløjte en bestemt tone. Her bliver den bølgende bevægelse tydelig. Med en stemmegaffel ses en meget fin svingning på skærmen. Hvis du sætter en klemme nederst på en stemmegaffel, får den en tone med en frekvens, der er ændret en lille smule. Lyt til den lyd, der kommer fra to ens stemmegafler, hvor der er en klemme på den ene. Lydstyrken ændrer sig. Lyden skifter mellem at være kraftig og svag; svagere end lyden fra bare én stemmegaffel. Denne ændring har en frekvens, der er så lav, at man kan tælle svingningerne. På skærmen ses, at de to lydbølger samlet giver en ny bølge, hvis styrke varierer. Når de to bølger blandes sammen, siger man, at de interfererer. Så lyd plus lyd kan godt give stilhed. Med en tonegenerator, der sender det samme signal til to højttalere, kan et tilsvarende fænomen høres. Send en lyd med frekvensen 340 Hz ud gennem begge højttalere. Denne lyd har en bølgelængde på 1,0 m. Stil de to højttalere ca. 3 m fra hinanden på katederet. Sæt en finger eller en øreprop i det ene øre, og find de steder i klassen, hvor lyden er kraftigst. På disse steder i klassen ankommer bølgetoppene fra de to højttalere samtidigt. Også i dette eksperiment interfererer bølgerne. 5

86 CAFE KOSMOS ALLE REGNBUENS FARVER Naturen skaber vidunderlige farver. Røde roser, grønne blade og den blå himmel. Skinner solen, mens der er små regndråber i luften, kan man se alle spektrets farver i regnbuen. Sæbebobler og oliehinder kan også vise dette farvespektrum. Solstråler Vanddråber lidt af lyset, der rammer i et smalt område yderst på dråben, vil opføre sig anderledes. Det bliver brudt, når det rammer dråben. Derefter bliver det spejlet på bagsiden af dråben. Når lyset igen forlader dråben, bliver det brudt endnu en gang. Da lysets farver brydes forskelligt, vil farverne fra denne stråle komme ud i lidt forskellige retninger. Med regnbuen afslører naturen alle de farver, der er i lyset fra Solen. Rød, orange, gul, grøn, blå og violet ligger efter hinanden i regnbuen. For at forstå hvordan regnbuer opstår, skal man bruge viden om brydning og total tilbagekastning. REGNBUEN Små regndråber har form som kugler. Lys, der rammer en regndråbe, vil blive brudt, når det rammer, og når det igen forlader dråben. Det er på samme måde som i en linse. Men På tegningen ses to vanddråber. Hver vanddråbe rammes af en vandret solstråle netop på det sted, hvor den vil blive totalt tilbagekastet af dråbens bagside. Ud af hver dråbe er vist en rød og en blå lysstråle. Pigen, der kigger op mod himlen, vil se den røde stråle fra den ene dråbe i en retning, der er lidt forskellig fra retningen til den blå stråle, der kommer fra den anden dråbe. På tegningen kommer sollyset vandret ind mod vanddråberne. Det er altså enten solnedgang eller solopgang. Der vil da komme en regnbue, 6

87 CAFE KOSMOS der har form som en halvcirkel med centrum i horisonten lige modsat retningen til Solen. Når man kigger mod en regnbue, har man altså altid Solen i ryggen. Der er tit mærkelige lysforhold på himlen, når der er regnbuer. På den udvendige side af regnbuen er der mørkere end indenfor. Det skyldes igen regndråberne. Den del af lyset, der rammer dråberne lige i midten, bevæger sig gennem dråberne. Rammer lyset lidt væk fra midten, vil det blive brudt og dermed spredt i mange forskellige retninger. Noget af det spredte lys kommer tilbage til iagttageren. Fra de mørke områder på himlen, er lyset gået lige gennem dråberne, og er altså ikke blevet kastet tilbage. SÆBEBOBLERS FARVE I sæbebobler kan man se de samme farver som i regnbuen. Men forklaringen på disse farver er en anden. På tegningen er vist en ganske tynd hinde på en sæbeboble. Der er også vist en lysstråle, der rammer hinden. Noget af strålen spejles af hindens overside. En anden del af strålen går gennem hinden og bliver spejlet af dens underside. Det lys, der bevæger sig væk fra boblen, er altså sammensat af to stråler, der har bevæget sig en forskellig længde. I eksperimentet side 5 blev vist, hvorledes to lydbølger kunne udslukke hinanden, når en bølgetop ramte øret samtidig med en bølgedal. Lys kan på samme måde udslukkes eller forstærkes. Hvis den ene af de to lysstråler har bevæget sig en afstand, der netop er en bølgelængde længere end den afstand, den anden stråle har bevæget sig, vil de to stråler forstærke hinanden. Spejling i en sæbehinde Da farverne ikke har samme bølgelængde, vil de enkelte farver forstærke hinanden i forskellige retninger, hvor forskellen i vejlængde er en, to eller tre bølgelængder. Når boblen, lige inden den går i stykker, bliver helt tynd, vil den se sort ud. Farverne forsvinder. Hinden er nu 7 blevet så tynd, at de to lysstråler ikke kan forstærke hinanden. Olie er et stof, der ikke kan opløses i vand. Når olie spildes på våd asfalt, vil det lægge sig i en tynd hinde på vandet. I denne hinde kan man se det samme farvespil som i sæbeboblerne. Og forklaringen på de forskellige farver er helt den samme. LAV FARVER MED PAINT Der findes mange farver. Langt flere end de farver, der kan ses i regnbuen. Øjet kan kende forskel på over en million forskellige farver. Når en rose har en særlig rød farve, så skyldes det, at nogle af farverne fra sollyset bliver kraftigere opsuget end den røde farve. Den farve, man ser, er altså summen af en mængde forskellige farver, der hver har sin intensitet. Med computeres tegneprogrammer, fx Paint, laves nye farver ved at blande de tre farver, rød, grøn og blå. I denne bog er alle billeder lavet ved at blande de fire farver cyan (blå), magenta (purpurrød), gul og sort.

88 DET VED DU NU OM LYD OG LYS LYD ANVENDELSER AF LYS En lysleder er et meget tyndt rør af glas. Lys kan ikke slippe ud af lyslederen, fordi lyset bliver totalt tilbagekastet af glasoverfladen. Lyslederkabler er meget effektive til hurtig overførsel af store mængder information. Lysdioder laver lys, uden at energien spildes som varme. Lyd er en trykbølge, der i luft bevæger sig med en fart på ca. 340 m/s. Bølgelængden er afstanden mellem to bølgetoppe. En bølges frekvens er antallet af svingninger hvert sekund. LYS Enheden for frekvens er hertz, hvor fx 1 Hz netop er 1 svingning pr. sekund. Menneskets øre kan høre frekvenser mellem 0 Hz og Hz. ANVENDELSER AF LYD Ultralyd er lyd med frekvenser over Hz. Dopplereffekten er den ændring i frekvens, der høres, når en lydgiver bevæger sig. Lys er en bølge, der består af svingende elektriske og magnetiske felter. Sollyset er sammensat af alle spektrets farver, rød, orange, gul, grøn, blå og violet. Ved spejling er udfaldsvinklen lige så stor som indfaldsvinklen. En lysstråle brydes, når den går fra et materiale til et andet. Forskellige farver brydes forskelligt. Rød brydes mindst, og violet brydes mest.

89 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? UDFORDRING Hvad betyder frekvens? Hvad er bølgelængde? Hvad er dopplereffekt? Hvad er ultralyd? Hvorfor har du to ører? Hvad er et ekko? FORSTÅR DU? Hvorfor kan lys ikke slippe ud af et tyndt glasrør? Hvorfor er afstanden i kilometer til et lyn en tredjedel af det tal, man kan nå at tælle til, mellem lynet ses, og tordenbraget høres? Hvilken fordel er der ved at se med to øjne i stedet for med kun et? Du står foran et spejl. Bag din ryg hænger et ur. I spejlet står viserne, som om klokken er Hvad er klokken i virkeligheden? Kammertonen har en frekvens på 440 Hz. Hvad er bølgelængden for kammertonen? Brug din viden om indfalds- og udfaldsvinkler til at vise, at en lysstråle sendes tilbage i den retning, den kom fra, når den reflekteres i to spejle, der står vinkelret på hinanden. Tegn stråler, der kommer ind mod spejlene fra forskellige retninger. I et spejl er billedet spejlvendt, dvs. venstre er blevet til højre. Men hvorfor er "op" ikke blevet til "ned"? I spejlkabinetter findes spejle, der får dig til at se lille og tyk ud. Hvordan er disse spejle lavet? 9

90

91 Luft NITROGEN OG OXYGEN CARBONDIOXID, CO HYDROGEN ÆDELGASSERNE OG KEMISK BINDING CAFE KOSMOS: KAN KÆMPEINSEKTERNE KOMME IGEN? For en astronaut er det fantastisk at se ned på Jorden. Fra nogle hundrede kilometers højde ses luften omkring Jorden som et tyndt, lyseblåt lag. Den blå farve opstår, når sollyset spredes i luften omkring Jorden. Normalt siger man, at rummet begynder i en højde af 100 km over Jordens overflade, og under denne højde findes 99,99999 % af al luft på Jorden. I forhold til Jordens størrelse er luftlaget meget tyndt. Hvis Jorden var på størrelse med en fodbold, ville luftlaget kun være 1- mm tykt. Hvilke stoffer findes i luften? Kan man som bjergbestiger komme op på de højeste bjerge uden at medbringe luft i trykflasker? Hvad er et molekyle? Hvordan giver man kunstigt åndedræt på hospitalerne? Kan luften i klassen være årsag til, at elever gaber i skolen? 91

92 LUFT På toppen af de højeste bjerge i syv til otte kilometers højde kan man kun overleve en dag. Bjergbestigere, der klatrer derop, må medbringe luft i trykflasker, eller klatre ned igen samme dag. Nitrogen og oxygen Luften omkring Jorden kaldes atmosfæren. Den atmosfæriske luft er sammensat af forskellige luftarter. Der er mest af de to luftarter, nitrogen og oxygen. Overalt på Jorden indeholder luften 7 % nitrogen, N, og 1 % oxygen, O. Oxygen er den vigtigste luftart. Den bruges af mennesker og dyr til ånding. Luft i højden Luften er tættest ved Jordens overflade og bliver hurtigt tyndere højere oppe, dvs. afstanden mellem luftmolekylerne bliver større med højden. I en højde af kun fem km er luften så tynd, at de fleste mennesker vil føle ubehag. Man er nødt til at trække vejret hurtigere for at få nok oxygen til kroppen. Ved jordoverfladen har en kubikmeter luft massen 1, kg. 9

93 LUFT På verdens højeste bjerg, Mount Everest, er luften meget tyndere. En kubikmeter luft har der en masse på kun 0,4 kg. De fleste større passagerfly flyver i 10 kilometers højde, fordi luften her er så tynd, at man bruger mindre brændstof. For at passagererne kan overleve, presser man luften uden for flyet sammen, før den blæses ind i kabinen. Her sidder man i et lufttryk, der svarer til at være i lidt over to kilometers højde. Astronauter er så langt oppe, at de må medbringe deres egen luft. Da astronauterne var på Månen, måtte de også medbringe al luft, for Månen har slet ingen atmosfære. Kopiark 5.1 Luften omkring Jorden km 50 Ubemandet ballon 40 Nitrogen Den største del, 7 %, af den atmosfæriske luft består af luftarten nitrogen, N. I hver indånding er altså over tre fjerdedele af luften nitrogen. Det optages ikke i kroppen, men forsvinder ud igen ved udåndingen. Livet på Jorden er tilpasset netop mængdeforholdet mellem luftens oxygen og nitrogen. Oxygen reagerer let med andre stoffer, man siger, at oxygen er reaktivt. Nitrogen fortynder det meget reaktive oxygen. Liv kunne ikke eksistere, hvis der kun var oxygen i luften. Nitrogen har svært ved at reagere med andre stoffer, for den kemiske binding mellem de to nitrogen-atomer er en af de stærkeste, der kendes. Uanset, hvor hårdt nitrogenmolekylet støder ind i andre molekyler, brydes bindingen mellem nitrogenatomerne næsten aldrig. Nitrogenmolekylet er derfor meget stabilt. Oxygen Oxygen reagerer let med andre stoffer. Når et stof brænder, er det netop en reaktion mellem stoffet og oxygen. Mange af de stoffer, der findes på Jorden, kan derfor opfattes som forbrændingsprodukter. Vand, H O, dannes ved forbrænding af hydrogen. Carbondioxid, CO, dannes ved forbrænding af carbon. Mange steder på Jorden findes der store forekomster af mineraler, der indeholder oxygen. De er dannet ved, at luftens oxygen har reageret med jern og andre grundstoffer. I Jordens tidlige historie er meget oxygen derfor blevet fjernet fra atmosfæren og bundet i jorden. Oxygen udgør næsten halvdelen af alle atomer i jordskorpen. Kopiark 5. og Jetfly 93

94 LUFT Påvisning af oxygen Man kan undersøge, om en luftart er oxygen, ved at bruge en glødende træpind. Man tænder en træpind, og når den har brændt et stykke tid, pustes flammen ud. Den glødende træpind sættes ned i den ukendte luftart, og hvis træpinden bryder i brand, så er luftarten oxygen. Hvis gløden går ud, så er luftarten måske nitrogen, N, eller carbondioxid, CO. EKSPERIMENT O CO Fotosyntese Luftens oxygen dannes af planter ved en proces, der hedder fotosyntese. Ved fotosyntesen omdanner planterne ved hjælp af sollyset luftens carbondioxid, CO, til oxygen, O, som frigives til luften. Carbon-atomet fra carbondioxid bruges til at opbygge næringsstoffer til nye plantedele, så planten kan vokse og formere sig. Næringsstoffet er sukkerstoffet glukose, der har den kemiske formel: C 6 H 1 O 6. Den kemiske reaktion for fotosyntesen kan skrives som: sollys + 6 H O + 6 CO C 6 H 1 O O Halvdelen af Jordens oxygen er dannet i verdenshavene ved fotosyntese af plankton. Den anden halvdel produceres ligeledes ved fotosyntese, men på landjorden af træer, græs og andre planter. Kopiark 5.4 Oxygenkredsløbet Hvis der ikke var liv på Jorden, ville der ikke være oxygen i luften. Det er planterne, der har skabt luftens oxygenindhold på 1 %. Det er så meget, at det ville tage Jordens befolkning omkring en million år at opbruge alt det oxygen, der er i atmosfæren. Et menneske vil i løbet af sit liv forbruge ca. 1 millioner liter oxygen. Det svarer til luftmængden i en normal skole. Hvis oxygenindholdet blev mindre end 1 %, ville fugle ikke have energi nok til at flyve, og vi ville ikke kunne løbe. 94

95 LUFT EKSPERIMENT Luftens oxygenindhold - Sæt en lille elastik om et bredt glasrør ca. cm fra enden af røret. Røret er åbent i begge ender. Glasrøret sættes ned i et bægerglas. Der hældes fortyndet natriumhydroxid i, til væsken når op til elastikken. Et lille stearinlys smeltes fast i bunden af en glødeske, og stangen på glødeskeen fastgøres i hullet på en gummiprop, der passer til glasrøret. Hullet stoppes til med modellervoks. Stearinlyset tændes, og når det brænder fint, sættes proppen hurtigt ned i røret. På et tidspunkt går lyset ud. Langsomt ser man, at væsken stiger op i glasrøret. Når væsken ikke stiger mere, tegnes med en vandfast pen en streg på - røret, der viser, hvor højt væsken er nået, og en streg ud for den nederste del af proppen. Ved forbrændingen bruges luftens oxygen. Derfor stiger væsken i røret. Ved hjælp af en lineal og ud fra elastikkens og de to stregers placering kan man bestemme, hvor stort luftrumfanget var før og efter forbrændingen. Heraf kan man udregne, hvor meget oxygen der blev brugt ved forbrændingen af stearinlyset. Hvis oxygenindholdet faldt til bare 17 %, ville vi føle, at vi blev kvalt. Det ville blive en helt anden verden, end den vi kender. Hvis oxygenindholdet blev større end 1 %, ville der lettere kunne opstå brande. Jorden ville blive hærget af enorme skovbrande. Der ville opstå nye former for liv, som fx kæmpestore, skræmmende insekter. Det kan du læse mere om i dette kapitels Cafe Kosmos: Kan kæmpeinsekterne komme igen? Kopiark 5.5 Fremstilling af luftarter De fleste luftarter fremstilles af den atmosfæriske luft. Ved passende trykændringer og afkøling får man temperaturen ned på ca. 00 C. Herved får man en flydende blanding af nitrogen og oxygen. Ved langsom opvarmning fordamper de enkelte luftarter ved hvert deres kogepunkt. Først fordamper nitrogen, der har et kogepunkt på 196 C. Tilbage har man flydende oxygen, der har et kogepunkt på 13 C. Nyttige oplysninger Den atmosfæriske luft er betegnelsen for luften omkring Jorden. Atmosfæren indeholder 7 % nitrogen, N, og 1 % oxygen, O. Ilt er et ældre dansk navn for oxygen. Kvælstof er et ældre dansk navn for nitrogen. Oxygen udgør næsten halvdelen af alle atomer i stofferne i jordskorpen. Oxygen påvises med en glødende træpind. Ved fotosyntese omdanner planterne i hav og på land carbondioxid til oxygen. 95

96 LUFT Carbondioxid, CO 70 L nitrogen 10 L oxygen 0,4 L carbondioxid 10 L argon og andre ædelgasser Den atmosfæriske luft Tegningen viser mængdeforholdet af de vigtigste luftarter i den atmosfæriske luft. Argon og de andre ædelgasser er beskrevet på side 10. Dødens dal Carbondioxid er en tung luftart. Mange steder i verden især i vulkanske områder siver der carbondioxid ud af jorden. Det kan samle sig i huller og hulninger, hvor mindre dyr og også mennesker kan blive kvalt. Begrebet Dødens dal, der kendes fra flere steder, har ofte vist sig at have denne årsag. I 196 omkom 1700 mennesker på én gang i Afrika. De boede omkring søen Nyos i Cameroun. Uden varsel steg der enorme mængder af carbondioxid op af søen. Med en fart på 0-50 km/t løb den tunge gas ud over landskabet omkring søen; gassen fortrængte den atmosfæriske luft, så folk blev kvalt. Stort set alle dyr og mennesker i en afstand af op til 3 km fra søen døde. De 99 % af atmosfæren består af oxygen og nitrogen. Der er yderligere lidt under 1 % af luftarten argon, Ar. Resten af luften ca. 0,1 % består af over 00 forskellige luftarter. Noget er vanddamp, H O, noget er carbondioxid, CO. Argon spiller ingen rolle for livet, men carbondioxid, CO, bruges i planternes fotosyntese, hvorved planterne kan vokse. Carbondioxid Luftarten carbondioxid, CO, er kun nummer fire af de mest forekommende luftarter i atmosfæren. Den atmosfæriske luft indeholder kun ganske lidt carbondioxid, 0,035 %. Det svarer til, at der i 1 liter luft kun er 0,35 ml carbondioxid. Carbondioxid har ingen lugt. Carbondioxid dannes bl.a. ved forbrænding. Den kommer ud af skorstene og udstødningsrør på biler. Indholdet af carbondioxid i luften er derfor større i storbyer og industriområder end ude på landet eller ude på havet. Blandt andet derfor er luften bedre ude på landet end i byerne. Kopiark 5.6, 5.7 og 5. Carbondioxid er en tung luftart Carbondioxid er en meget tung luftart. Det udnyttes ved slukning af brande. Der er carbondioxid i de såkaldte kulsyreslukkere. Når carbondioxid sprøjtes ud over det brændende stof, vil carbondioxid synke ned og herved skubbe luften væk. Så er det brændende stof ikke længere i kontakt med luftens oxygen, og ilden vil gå ud. Kopiark

97 LUFT EKSPERIMENT Påvisning af carbondioxid Man kan påvise carbondioxid, CO, på to måder, med kalkvand eller med en CO -indikator. Med kalkvand: Kalkvand er en opløsning af calciumhydroxid, Ca(OH). Carbondioxid bobles igennem kalkvandet, og de to stoffer danner et fast stof, calciumcarbonat, CaCO 3. Den kemiske reaktion er Ca(OH) + CO CaCO 3 + H O. Når der er kommet tilstrækkeligt meget carbondioxid ned i kalkvandet, bliver opløsningen uklar. Med CO -indikator: En opløsning af CO -indikator er rød til rødviolet. Når man bobler carbondioxid gennem opløsningen, bliver den gul. EKSPERIMENT Carbondioxid i luften og i udåndingsluften Luftarten carbondioxid kan påvises med kalkvand. Når mængden af carbondioxid, der er kommet ned i kalkvandet, er blevet stor nok, bliver opløsningen uklar. Der dannes et fast stof, calciumcarbonat, CaCO 3. Ved hjælp af en vandluftpumpe suges atmosfærisk luft igennem kalkvand. Hvor lang tid går der, før opløsningen bliver uklar? Der bygges et åndingsapparat. Man suger luft ind og puster luften ud igen gennem glasrøret. Når man suger luften ind, bobler den atmosfæriske luft i glasset til venstre; når man puster luften ud, bobler udåndingsluften i glasset til højre. Hvad fortæller forsøget om indholdet af carbondioxid i den atmosfæriske luft og i udåndingsluften? Det tager meget lang tid, før kalkvandet i forsøget med vandluftpumpen bliver uklart. Det viser, at der ikke er ret meget carbondioxid i luften. Det varer til gengæld ikke ret længe, før udåndingsluften gør kalkvandet uklart. Det viser, at der er meget carbondioxid i vores udåndingsluft. 97

98 LUFT Sæler og hvaler trækker vejret ligesom mennesker, men de kan holde til at have større mængder af carbondioxid i blodet. Derfor kan hvaler opholde sig under vand i op til to timer. Nyttige oplysninger Ved åndingen optages oxygen, og der udskilles carbondioxid, CO, gennem lungerne. Carbondioxid er en tung luftart. Kalkvand og CO -indikatoren kan påvise carbondioxid. Carbondioxid gør os dårligt tilpas I mindre lokaler, hvor der er mange mennesker, og hvor der ikke luftes ud, vil indholdet af carbondioxid i luften stige. Vores udåndingsluft har nemlig et indhold af carbondioxid helt oppe på 4,5 %. Allerede når mængden af carbondioxid i luften kommer op på 0,5 %, bliver vi påvirket. Vi bliver trætte og begynder at gabe. Indholdet af carbondioxid i et lukket rum bør ikke overstige 0,1 %. Derfor er det vigtigt, at man i skolerne får luftet lokalerne ud efter hver time. Det er altså ikke sikkert, at eleverne gaber, fordi undervisningen er kedelig. Ånding Når vi tager en indånding, optages luftens oxygen gennem lungerne i blodet. Det transporterer oxygen ud til hver eneste celle i kroppen. Blodet transporterer også næringsstoffer fra maden ud til cellerne. Her sker en forbrænding af næringsstofferne med det oxygen, som vi fik fra luften ved indåndingen. Forbrændingen foregår dog uden ild og flammer og ikke ved en høj temperatur, men ved kroppens temperatur på 37 C. Ved forbrændingen af maden i kroppen dannes varme, så vi ikke fryser, og energi, så vi kan bevæge os. Den kemiske reaktion ved forbrændingen af stoffet glukose kan skrives som: C 6 H 1 O O 6 CO + 6 H O + energi. Carbon-atomerne i madens molekyler reagerer med oxygen og bliver til carbondioxid, CO. Hydrogen-atomerne i maden reagerer også med oxygen og bliver til vand, H O. Blodet transporterer derefter carbondioxid tilbage til lungerne, hvorfra det udåndes. Derfor er der mindre oxygen i vores udåndingsluft end i indåndingsluften, mens der er mere carbondioxid i udåndingsluften end i indåndingsluften. Når et menneske holder vejret, kommer der mere og mere carbondioxid i blodet. Det udløser en refleks, der får os til at tage en indånding, for det er mængden af carbondioxid i blodet, der styrer vejrtrækningen. Kopiark 5.10 Gæring Når man skal bage brød, blander man gær i dejen. Gær består af gærceller, der er levende organismer. De spiser sukkeret i dejen, og udskiller luftarten carbondioxid. Det får brødet til at hæve. Når brødet sættes i ovnen, dræber den høje temperatur gærcellerne. Alle drikkevarer, der indeholder alkohol, har været gennem en gæringsproces. Gæren omdanner sukker til CO og alkohol. I ølproduktionen er det sukkeret i kornsorten byg, der omdannes. I vinproduktionen er det sukkeret i vindruerne, der omdannes. Under gæringen slipper en masse CO ud til omgivelser. I øl er det let at se, at der er dannet CO ved gæringen, for når man hælder øl op i et glas, dannes der en masse luftbobler i væsken. Herved dannes skummet i glasset. Kopiark

99 LUFT Hydrogen Grundstof nr.1 er hydrogen. Det findes som et to-atomigt molekyle med formlen H. Det er det letteste molekyle, der eksisterer. Ingen andre molekyler har så lille en masse. Derfor er hydrogen en luftart. Hydrogen har ingen farve, og det har ingen lugt. Der er kun lidt frit hydrogen på Jorden, men der er masser af kemiske forbindelser, der indeholder hydrogen, fx vand. Der er ikke hydrogen i atmosfæren Det er tyngdekraften, der holder atmosfæren fast på Jorden. Luftarter med store og tunge molekyler findes især ved jordoverfladen, mens lette molekyler kan findes højere oppe. Hydrogen er en meget let luftart; meget lettere end almindelig luft. En liter almindelig luft har en masse på ca. 1, g. Hydrogens densitet er ca. fjorten gange mindre. Hydrogenmolekylerne er så lette, at Jordens tyngdekraft ikke kan fastholde dem. Alt hydrogen i atmosfæren vil derfor stige til vejrs og før eller senere forsvinde ud i verdensrummet. På denne måde mister Jorden luftarter, men Jorden bliver ikke lettere, Brint og brintsamfundet Et ældre dansk navn for hydrogen er brint. Navnet bruges ofte ved omtale af fremtidsvisionen brintsamfundet, hvor det er tanken, at man skal bruge brændselsceller, der frembringer elektricitet ved at forbrænde hydrogen. Det sker uden forurening. Det eneste forbrændingsprodukt er vanddamp. Fremstilling af hydrogen Da der ikke er hydrogen i atmosfæren, må det udvindes på en anden måde. Det kan gøres ved elektrolyse af vand. Ved en elektrolyse sender man elektrisk strøm gennem vand tilsat lidt svovlsyre, der får reaktionen til at ske hurtigere. Herved spaltes vandet i hydrogen og oxygen. På de dannede luftmængder kan man se, at der dannes dobbelt så meget hydrogen som oxygen, for i vandmolekylet er der to hydrogen-atomer, men kun et oxygen-atom. Hydrogen opbevares i trykbeholdere. 99

100 LUFT for hver dag falder der op til ton støv og meteoritter fra verdensrummet ned på Jorden. Kun planeter, der er meget større og dermed tungere end Jorden, kan fastholde hydrogen. På de store planeter, Jupiter og Saturn, er der hydrogen, og langt størstedelen af Solen består af hydrogen. I verdensrummet er hydrogen det grundstof, der er mest af. Hindenburg I 1936 byggede man i Tyskland den kæmpemæssige zeppeliner Hindenburg. Det var et 45 meter langt luftskib med 16 enorme poser med hydrogen. Mandag d. 3. maj 1937 fløj Hindenburg fra Tyskland med kurs mod USA. Ingen flyvemaskiner kunne dengang flyve så langt. Lige før landingen, ganske få meter over jorden, opstod der brand, og alt hydrogen brændte i en voldsom brand. Herefter stoppede man al flyvning med luftskibe båret oppe af hydrogen. Det var alt for farligt. På grund af eksplosionsfaren må man i dag kun bruge hydrogen til luftballoner, der sendes op af meteorologer og andre forskere. Nyttige oplysninger Grundstof nr. 1 er hydrogen, H. Den letteste luftart er hydrogen. Hydrogen kan brænde. Ved forbrændingen reagerer hydrogen med oxygen, og der dannes vanddamp. Knaldgas er en blanding af hydrogen og ren oxygen. Blandingen eksploderer ved antændelse. Hydrogen kan brænde Hydrogen kan brænde. Ved forbrændingen reagerer hydrogen med atmosfærens oxygenindhold. Ved reaktionen mellem de to luftarter dannes der vanddamp. Reaktionen kan skrives: Hydrogen + oxygen vanddamp Med kemiske formler skrives reaktionen: H + O H O Af reaktionen ses, at to hydrogenmolekyler reagerer med et oxygenmolekyle og danner to vandmolekyler. På grund af den høje temperatur er det vanddamp, der dannes. Lidt senere, når luften er afkølet, fortætter vanddampen til vanddråber. Kopiark 5.1 og 5.13 Hydrogen brænder uden flamme Når hydrogen brænder, ses der ingen flamme, som ved andre stoffer der brænder. De fleste andre brændende stoffer lyser, fordi der i flammen er små glødende partikler af carbon, der udsender lys. Hvis man ser en flamme, når hydrogen brænder, kommer lyset fra glødende småpartikler, der findes som forurening i luften. Knaldluft og knaldgas Man kan sagtens have en blanding af hydrogen og luft sammen, uden at hydrogen brænder. Men ved den mindste gnist eksploderer blandingen. Derfor kaldes en blanding af hydrogen og luft for knaldluft. En blanding af hydrogen og ren oxygen giver ved antændelse en endnu kraftigere eksplosion. En sådan blanding kaldes knaldgas. Kopiark 5.14 og

101 LUFT EKSPERIMENT Påvisning af hydrogen Man kan let undersøge, om en luftart er hydrogen. Hydrogen vil brænde, når man sætter en brændende træpind hen til hydrogen. Man opsamler noget af luftarten i et reagensglas. Når man tager proppen af reagensglasset, skal bunden af glasset vende opad, for hydrogen er lettere end den omgivende luft. Helt rent hydrogen vil brænde roligt. På grund af varmeudviklingen vil man høre en lyd, nærmest blob. Hvis der ikke er helt rent hydrogen i reagensglasset, men også noget af den atmosfæriske luft, vil hydrogen brænde i en eksplosion, og man vil høre en hvinende lyd eller et knald, når hydrogen antændes. EKSPERIMENT Hydrogen kan æg splodere Man skal bruge et udpustet æg. Det skal have et hul på ca. -3 mm i diameter i den spidse ende af ægget, og et i bunden på ca. 3-4 mm. Det lille hul tapes til, og ægget fyldes med hydrogen gennem et langt smalt glasrør, der stikkes gennem det store hul helt op til toppen af ægget. Ægget sættes ned på den afskårne top af en sodavandsflaske af plastic. Fjern tapen, og sæt straks en tændt tændstik hen over hullet. Der høres formentlig en lille lyd, blob, og derefter ser der ikke ud til at ske mere. MEN! Efter nogen tid eksploderer ægget, BOOM. Når tapen tages af, strømmer der hydrogen ud. Det antændes og brænder, men flammen kan næsten ikke ses eller høres. Efterhånden, som der strømmer mere og mere hydrogen ud foroven af ægget, trækkes der luft ind gennem det nederste hul. På et tidspunkt er der kommet så meget oxygen ind i ægget, at flammen kan slå ned gennem det øverste hul og antænde hydrogen-luft-blandingen inde i ægget. 101

102 LUFT Gas Ofte bruger man betegnelsen gas i stedet for ordet luftart. Ordet gas blev opfundet for 400 år siden, og det blev valgt, fordi det lyder lidt som det græske ord, kaos. Luftmolekylerne bevæger sig nemlig tilfældigt rundt, støder ind i hinanden og ændrer derfor hele tiden retning. De bevæger sig kaotisk. Det modsatte af kaos er orden. Det græske ord for orden er kosmos, navnet på denne bog. Helium Helium er det grundstof, der er næstmest af i Universet. 11,3 % af alle atomer er heliumatomer. Der er dog mest af luftarten hydrogen;,6 % af alle atomer er hydrogen. Resten af grundstofferne udgør kun 0,1 %. Luftskibe Da helium kun vejer 1/7 af luft og samtidig ikke kan brænde, bruges det i luftballoner til meteorologiske observationer. Sådanne balloner er nået op i kilometers højde. Hvis man vil undersøge atmosfæren endnu højere oppe, bruger man det lettere, men også brandfarlige, hydrogen. I et luftskib fyldt med helium kan en kubikmeter helium bære en last på et kilogram. Ædelgasserne og kemisk binding I luften findes små mængder af ædelgasserne. Det er de grundstoffer, der står i det periodiske systems. hovedgruppe. De er alle luftarter. Det er helium, neon, argon, krypton, xenon og radon. Grundstofsymbolerne er He, Ne, Ar, Kr, Xe og Rn. Ædelgasserne Den ædelgas, der er mest af i luften, er argon. Der er lidt mindre end 1 % i luften. Af de andre ædelgasser er der meget mindre. I 1 m 3 luft er der ca. 10 liter argon, men kun 4 ml af de andre ædelgasser tilsammen. Når man vil udvinde en liter xenon af luften, skal man fange alle xenon-atomer i en mængde luft, der svarer til en meget stor skole. Ædelgasserne har fået deres navn, fordi de opfører sig lidt som de ædle metaller, guld og sølv. Guld er meget lidt reaktivt og har svært ved at danne kemiske forbindelser med andre grundstoffer. Derfor findes guld ofte frit i naturen. På samme måde danner ædelgasserne næsten ingen kemiske forbindelser med andre grundstoffer. De kan ikke brænde, og man kan hverken smage eller lugte dem. Helium Helium er syv gange lettere end den atmosfæriske luft. Kun grundstof nr. 1, hydrogen, er lettere. Helium er dobbelt så tungt som hydrogen, men da hydrogen er meget brændbart, benyttes helium i situationer, hvor der er brug for en let gas, bl.a. i luftskibe. Når man i fx Tivoli kan købe balloner, der skal holdes med en snor, for at de ikke stiger til vejrs, så er disse balloner fyldt med helium. Helium kan ikke brænde, og det er helt ugiftigt. Helium har fået sit navn efter Solen, der på græsk hedder Helios. Navnet skyldes, at nogle astronomer i 16 ved en analyse af solstrålerne opdagede et ukendt grundstof på Solen. Grundstoffet blev opkaldt efter Solen og fik navnet helium. Først 6 år efter fandt man grundstoffet helium her på Jorden. Forskellige steder siver der helium op af jorden. Her opsamler man helium. 10

103 LUFT Radon Jo højere atomnummer ædelgassen har, jo tungere er den. Helium er derfor den letteste, radon den tungeste. Radon er samtidig radioaktivt, og da der kommer radon op af jorden og ud af beton, kan der i huse samles så meget radon, at det kan være skadeligt. Når man indånder luft med for meget radon, kan man risikere at få lungekræft. Derfor er det vigtigt at få luftet godt ud, især i kældre. Argon Fordi der er mest af argon i luften, er argon den ædelgas, der er billigst at udvinde. Derfor bruges netop argon som beskyttelsesgas ved svejsning. Når man smelter metaller, der skal svejses sammen, leder man argon ned over det smeltede metal. Herved fjerner man luftens oxygen, der ellers ville reagere med det smeltede metal og hindre svejsningen. Argon, krypton, xenon og neon udvindes som et biprodukt ved fremstilling af oxygen og nitrogen. Krypton, xenon og neon Krypton og xenon bruges til at fylde i elektriske pærer, der skal lyse ekstra kraftigt, fx landingslys i lufthavne. Hvis der var almindelig luft i glaskolben, ville glødetråden brænde over efter få sekunder. Med krypton eller xenon holder glødetråden længere. Lysstyrken bliver større, for xenon er en dårlig varmeleder. Med xenon får glødetråden en højere temperatur, så den lyser kraftigere. Neon kendes fra de mange lysreklamers neonrør. De røde farver kommer fra luftarten neon, som er fyldt i rørene. Når der sendes strøm gennem luftarten, lyser den rødt. Kopiark 5.16 Lysreklamer De fleste lysreklamer er glasrør fyldt med luftarten neon. Når man sender strøm gennem luften i røret, udsender neon orangerødt lys. Ægget er et klart glasrør med neon. Den gule høne er gule glasrør med neon. En blå farve kommer fra kviksølvdamp i et klart glasrør. En grøn farve kommer fra kviksølv i gule glasrør. En- og fler-atomige molekyler Ædelgasserne findes altid som enkelte atomer, der bevæger sig frit i luften. Ædelgassernes molekyler består således af kun et enkelt atom; man siger, at molekylerne er en-atomige. Alle andre luftarters molekyler består af mere end ét atom; de er fler-atomige. I næste kapitel på side 117 forklares, hvorfor ædelgassernes molekyler er en-atomige. 103

104 LUFT Molekylemodeller Hydrogen Oxygen Nitrogen Carbondioxid Vand Mono, di og tri I kemisprog bruger man ofte de internationale betegnelserne mono, di, tri for en, to, tre. Molekyler kan være en-atomige (mono-atomige) to-atomige (di-atomige) tre-atomige (tri-atomige) I mange molekyler er der langt flere atomer nogle molekyler har flere tusinde. I navnet carbondioxid fortæller stavelsen di, at der er to oxygen-atomer i molekylet. Et oxygenmolekyle indeholder to atomer; derfor skrives den kemiske formel for oxygen som O. Oxygenmolekylet er to-atomigt. Et nitrogenmolekyle indeholder også to atomer, og den kemiske formel for nitrogen skrives N. Nitrogenmolekylet er to-atomigt. Når vi trækker vejret, er det molekyler, der kommer ned i lungerne. Nitrogen- og oxygenmolekyler er to-atomige, mens ædelgassen argon indåndes som enkelte atomer. Carbondioxidmolekylet har den kemiske formel CO. Molekylet er tre-atomigt, for det indeholder tre atomer; et carbon-atom og to oxygen-atomer. Da carbondioxidmolekylet indeholder to forskellige grundstoffer, er det en kemisk forbindelse. Vandmolekylet, H O, er også tre-atomigt. Det er også en kemisk forbindelse. Molekylemodeller og kemisk binding I molekylebyggesættet er det kugler, der skal forestille atomer. Oxygen-atomets kugle er rød, nitrogen-atomets blå, carbon sort og hydrogen hvid. Der er huller i kuglerne, og der skal sættes plasticpinde eller fjedre i hullerne, når man skal sætte atomer sammen til et molekyle. Et molekyle er kun korrekt bygget, hvis alle huller er fyldt ud. Når man skal bygge et hydrogenmolekyle, skal man sætte to hvide kugler sammen med en grå plasticpind. Pinden forestiller den kemiske binding, der holder de to hydrogen-atomer sammen. Da der kun er et hul i de hvide kugler, kan der kun sættes en pind i. Det byggede hydrogenmolekyle kan derfor skrives som H-H. 104

105 LUFT EKSPERIMENT Luften i en el-pære En pære sættes i en fatning og forbindes til en stikkontakt. Tænd for strømmen for at se, at pæren fungerer. Sluk derefter for strømmen. En bunsenbrænder tændes, og der åbnes helt for lufthullet. Flammen sættes ind mod glasset af pæren, og flammen holdes på det samme sted. Lidt efter vil man se glasset bule ud. Når man opvarmer mere, opstår der et lille hul i glasset. Nu slukkes bunsenbrænderen. Stikkontakten tændes. Hvad sker der? Når en elektrisk pære fremstilles, fjerner man den atmosfæriske luft i pæren og erstatter den med en blanding af luftarterne nitrogen og argon. Glødetråden er af metallet wofram. Hvis der er oxygen i pæren, vil metallet ved den høje temperatur straks reagere med oxygen, så glødetråden brænder over. Da der blev hul i pæren, kom der noget atmosfærisk luft ind i pæren, og der var nok oxygen til, at metaltråden straks brændte over. I de røde kugler, der forestiller oxygen-atomer, er der to huller. Når man skal bygge oxygenmolekylet, O, skal man derfor sætte to pinde i. Det byggede oxygenmolekyle kan derfor skrives som O=O. Antallet af pinde eller fjedre mellem to atomer i et molekyle viser antallet af kemiske bindinger, der holder de to atomer sammen. I hydrogenmolekylet er der derfor en enkelt-binding, mens der i oxygenmolekylet er en dobbelt-binding. I nitrogen-atomets blå kugle er der tre huller. Nitrogenmolekylet, N, skal altså samles med tre pinde. De to nitrogenatomer er bundet sammen af en såkaldt tripel-binding. Carbondioxid er en kemisk forbindelse mellem carbon og oxygen, CO. Formlen viser, at der i molekylet er ét carbonatom og to oxygen-atomer. De tre atomer i molekylet ligger i forlængelse af hinanden med carbon-atomet i midten; atomerne kommer i rækkefølgen OCO. Molekylemodellen viser, at bindingen mellem carbon-atomet og oxygen-atomerne er en dobbeltbinding, for molekylet skal bygges som O=C=O. Vandmolekylet, H O, bygges med atomerne i denne rækkefølge: H-O-H. Man ser, at der kun er enkeltbindinger i vandmolekylet. Kopiark 5.17 og 5.1 Nyttige oplysninger Gas er en anden betegnelse for ordet luftart. Ædelgasserne er de grundstoffer, der står i det periodiske systems. hovedgruppe. Det er helium, neon, argon, krypton, xenon og radon. Argon er det grundstof, der er tredjemest af i atmosfæren, 1 %. Helium er det grundstof, der er næstmest af i Universet. Et molekyle er den mindste del af et stof, der kan eksistere selvstændigt. Mono, di, tri er kemisprog for en, to, tre. Ædelgassernes molekyler er en-atomige, mens H, N og O er to-atomige Hydrogenmolekylet er bundet sammen af en enkeltbinding. Oxygenmolekylet har en dobbeltbinding. 105

106 CAFE KOSMOS KAN KÆMPEINSEKTERNE KOMME IGEN? For 300 millioner år siden fandtes der insekter med en masse på flere kilogram. Der var enorme edderkopper, kolossale kakerlakker og skræmmende store skorpioner. Nogle af de flyvende insekter havde et vingefang på næsten en meter. Hvis der i dag kom en sådan kæmpestor, blodsugende myg flyvende ind ad vinduet, ville de fleste få en voldsom forskrækkelse. En tilsvarende guldsmed ville kunne tygge mindre pattedyr. I dag er det tungeste insekt den afrikanske goliatbille. Den kan have en masse på op til 100 g. Det største insekt er en vandrende pind. Den har en kropslængde på over 30 cm, og med benene strakt måler den over en halv meter. En helt ny variant af en vandrende pind blev fundet i 00. VERDENS STØRSTE INSEKT I 007 fandt man en forstenet skorpion, der havde levet for 390 millioner år siden. Denne skorpion er det hidtil største insekt, som er fundet. Skorpionen var større end et menneske,5 m lang. Dens klo var 46 cm lang. Dengang havde disse insekter ikke nogen naturlige fjender; de regerede Jorden. Det gør insekterne sådan set stadigvæk, for der findes langt flere insekter på Jorden, end der findes andre dyr og mennesker. Når insekterne dengang var større, skyldes det, at luftens oxygenindhold var helt oppe på måske 35 %, hvor det i dag er på 1 %. Da oxygenindholdet i luften faldt, uddøde kæmpeinsekterne. I dag ville disse kæmpeinsekter ikke kunne flyve, for med det lavere oxygenindhold i luften ville de yderste led af insekternes ben ikke få nok oxygen. Da insekterne ikke har et blodkredsløb, kan der i dag kun transporteres oxygen nok til insektben, der er kortere end ca. 15 cm. HVORDAN KOM OXYGEN I ATMOSFÆREN? Hovedet af en guldsmed. For ca. 4,5 milliarder år siden blev Jorden dannet ved at store mæng- 106

107 CAFE KOSMOS Verdens største insekt havskorpionen. der kosmisk stof samledes. Det blev til Solen, Jorden og de andre planeter. Jorden var dengang rødglødende, men da temperaturen faldt til under 100 C, blev der dannet hav på overfladen. Der var oxygen på Jorden, for der var vand på Jorden, men oxygen var bundet i vandmolekylerne. Der var ikke oxygen i atmosfæren. Der begyndte at komme oxygen fra Jordens overflade op i atmosfæren. Nogle blågrønalger, der havde eksisteret i mere end en milliard år, begyndte nu at danne oxygen. Og det hævede indholdet af oxygen i atmosfæren markant. Dengang var oxygen gift for de levende organismer. Det var fx bakterier. Mange af dem findes stadig, for de fleste bakterier behøver ikke oxygen for at leve, og mange nulevende bakterier dør, hvis de får for meget oxygen. Det stigende oxygenindhold var en gigantisk forurening, der var årsagen til massedød af levende væsener. Kun de, der kunne tåle den større mængde oxygen, overlevede. Livsvilkårene skiftede totalt, og der kom nye former for liv, som bedre kunne tåle de nye forhold. Det åbnede en dør til den udvikling, som resulterede i kæmpeinsekterne og senere mennesket, og den verden vi kender i dag. DRIVHUSEFFEKTEN Når der for mere end 300 millioner år siden, da kæmpeinsekterne levede, var så meget oxygen i luften, skyldes det måske, at der var ekstra meget carbondioxid i luften. Det brugte planterne til fotosyntese, og den faste jord var dækket af en urskov af grønne planter. Ved fotosyntesen omdannede planterne carbondioxid til oxygen. Efterhånden blev mængden af carbondioxid i luften mindre. Det fik temperaturen på Jorden til at falde så meget, at der kom istider, hvor store dele af Jorden bl.a. Danmark var dækket af is. Det er nemlig således, at mængden af carbondioxid i atmosfæren er afgørende for temperaturen her på Jorden. I dag har vi det problem, at mængden af carbondioxid i atmosfæren er stigende, og derfor stiger temperaturen på Jorden. Det skyldes drivhuseffekten. Den kan du læse meget mere om i kapitel. I den første halvdel af Jordens historie var der næsten intet frit oxygen i atmosfæren. Det frie oxygen blev dannet, når vandmolekyler i atmosfæren blev spaltet af lyn og sollys. Vandmolekylerne blev spaltet til hydrogen, H, og oxygen, O. De lette hydrogenmolekyler steg til vejrs i atmosfæren, og da Jordens tyngdekraft ikke kan holde fast på dem, forsvandt de ud i rummet. De tungere oxygenmolekyler blev tilbage i atmosfæren. Et vigtigt skift i Jordens historie skete for ca. to milliarder år siden. Dyrkning af bakterier. 107

108 DET VED DU NU OM LUFT NITROGEN OG OXYGEN Nitrogen er et meget stabilt molekyle, der er svært at få til at reagere. ÆDELGASSERNE OG KEMISK BINDING Halvdelen af alle atomer i jordskorpen er oxygen. Man kan bruge en glødende træpind til at afgøre, om en luftart er oxygen. I oxygen vil træpinden bryde i brand. Den atmosfæriske luft er en blanding af forskellige luftarter. Der er 7 % nitrogen og 1 % oxygen samt små mængder af andre luftarter. Ved fotosyntese omdanner planterne ved hjælp af sollyset luftens carbondioxid til oxygen. CARBONDIOXID, CO Ved ånding bruges det indåndede oxygen til forbrænding af carbon i føden. Herefter udåndes carbondioxid. Den atmosfæriske luft indeholder kun ca. 0,035 % carbondioxid. Carbondioxid er en tung luftart. Den synker ned gennem luften og lægger sig på jorden. HYDROGEN Man kan bruge en CO -indikator eller kalkvand til at afgøre, om en luftart er carbondioxid. Ædelgasserne er helium, neon, argon, krypton, xenon og radon. Helium er den letteste af ædelgasserne. Ædelgassernes molekyler indeholder kun ét atom. Molekylerne er en-atomige. Hydrogen er grundstof nr. 1. Hydrogen er den letteste luftart. Der er ikke hydrogen i atmosfæren. Hydrogen kan fremstilles ved elektrolyse af vand. Knaldgas er en blanding af hydrogen og oxygen. Hydrogen påvises ved at sætte en brændende træpind hen til en lille prøve i et reagensglas. 10 Hydrogen, oxygen og nitrogen danner to-atomige molekyler. H, O og N. Vandmolekylet, H O, og carbondioxidmolekylet, CO, er tre-atomige. I et hydrogenmolekyle, H, er der en enkeltbinding mellem hydrogen-atomerne. I et oxygenmolekyle, O, er der en dobbeltbinding mellem oxygen-atomerne.

109 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Hvorfor er oxygen en meget vigtig luftart? Hvilke forskelle er der på oxygen og nitrogen? Forklar, hvorfor man kan påvise oxygen med en glødende træpind. Hvordan kan man påvise luftarten carbondioxid, CO? Hvordan kan man påvise luftarten hydrogen? UDFORDRING Hvor mange liter oxygen er der i en kubikmeter luft (1000 liter)? Hvor mange procent oxygen og nitrogen er der i atmosfæren? Hvilke andre luftarter er der i atmosfæren ud over oxygen og nitrogen? Hvilken kemisk formel har et oxygenmolekyle? Hvordan kan man sammenligne fotosyntese og ånding? Hvilke problemer må der være med at trække vejret i en rumkabine? Hvor stor skal mængden af oxygen og carbondioxid være? Hvor mange atomer er der i ædelgassernes molekyler? Med hvilken slags binding er de to atomer i hydrogenmolekylet, H, bundet sammen? Med hvilken slags binding er de to atomer i oxygenmolekylet, O, bundet sammen? Hvordan kan man påvise luftarten hydrogen? 109

110 Metaller

111 og ioner METALLER OG LEGERINGER METALTEKNOLOGI IONER METALLER UDVINDING OG GENBRUG CAFE KOSMOS: GULD TIL NYTTE OG TIL PYNT Der findes ikke så meget af metallerne guld og sølv. Derfor er de dyre. Da de også er smukke og meget holdbare, bliver de brugt til smykker. Men metaller har mange vigtige funktioner. I dette kapitel kan du læse, hvordan det moderne samfund er afhængigt af metaller. De har været en helt afgørende forudsætning for samfundets udvikling. Når forskerne finder nye specielle egenskaber for et metal eller en legering, kommer der udvikling i teknologien. Der vil blive gjort opfindelser, som ingeniørerne udvikler til nye anvendelser. Metallerne har en lovende fremtid. Hvilke metaller kender du? Hvilke egenskaber er vigtige for trådene i en brødrister? Hvor bruger man lette metaller, dvs. metaller med lille densitet? Hvilke metaller kan man finde i et køkken? Hvordan ser genstande af jern, kobber og aluminium ud, når de er nye, og når de er gamle? 111

112 METALLER OG IONER Metaller og legeringer Cykler, biler, flyvemaskiner, skibe, tog, togskinner og store broer laves af metaller, og i vores hverdag er der massevis af genstande, der indeholder metal. Vores hverdag kunne ikke fungere uden de muligheder, som metalgenstande giver os. Nogle gange har vi metallerne lige foran os. Vi kan se dem, og vi kan røre ved dem. Andre gange er de overtrukket med plastic eller har fået en gang maling. Det flydende metal Kviksølv har tidligere været brugt i termometre. De må ikke længere sælges, for kviksølv er et sundhedsfarligt metal. Tandlægerne har i mange år fyldt huller i tænderne ud med amalgam, der kan være en blanding af sølv, tin og kobber med kviksølv. Amalgamfyldninger er også forbudt nu. Metalegenskaber Jern, aluminium, guld og sølv er metaller. I naturen findes 70 grundstoffer, der er metaller. Ved stuetemperatur er de faste, dog ikke kviksølv, som er flydende. De fleste metaller bliver først flydende ved meget høj temperatur. De har højt smeltepunkt. Metallerne har metalglans, dvs. de har en blank, skinnende overflade. Metalglansen skyldes, at den blanke metaloverflade kaster næsten alt lys tilbage. De fleste metaller er grålige, men når overfladen pudses, bliver de sølvskinnende. Guld er dog gult, og kobber er rødt. Glødetråden i en elektrisk pære Når pæren er tændt, er glødetrådens temperatur mellem 000 og 3000 C. Ved denne temperatur er langt de fleste metaller smeltet. Glødetråden er lavet af metallet wolfram, der har det højeste smeltepunkt af metallerne, over 3400 C. Metallerne har nogle specielle egenskaber, som kan udnyttes forskellige steder. Metallerne er gode elektriske ledere, dvs. elektrisk strøm løber let gennem dem. Især kobber bruges til ledninger. Metallerne er gode varmeledere, dvs. varmeenergi flyttes let gennem metallet. Det udnyttes fx, når varme skal trænge gennem bunden i en gryde. Metallerne er stærke, men alligevel forholdsvis nemme at bearbejde. Man kan forme metaller til den form, man ønsker. Ca. 0 grundstoffer har ikke metalegenskaber. Disse grundstoffer kaldes ikke-metaller. Det er fx svovl, oxygen, nitrogen og carbon. Dog kan carbon i form af grafit lede elektrisk strøm. I det periodiske system bagest i bogen er der en rød trappelinje fra øverste venstre hjørne ned til nederste højre hjørne. På venstre side af trappelinjen har vi metallerne, mens grundstofferne til højre for trappelinjen er ikke-metallerne. Kopiark

113 METALLER OG IONER Letmetaller og tungmetaller Nogle metaller er meget tunge, mens andre er lette. Derfor deles metallerne op i to grupper: letmetaller og tungmetaller. Letmetallerne har en densitet på under 5 g/cm 3. Titan, aluminium og magnesium er letmetaller. De bruges ofte til bygning af flyvemaskiner. Det letteste metal er grundstof nr. 3, lithium. Det kan flyde på vand. Jern og kobber er tungmetaller. Tungmetallerne har typisk en densitet fra 7 til 11 g/cm 3, men nogle er meget tungere. Guld har en densitet over 19 g/cm 3. De tungeste metaller er osmium og iridium. Hvis man fylder en 1 liters mælkekarton med et af disse metaller, får den en masse på over kg. Densitet af metaller Letmetaller densitet mindre end 5 g/cm 3 Lithium 0,53 g/cm 3 Tungmetaller densitet større end 5 g/cm 3 Zink 7,1 g/cm 3 I køkkenet udnytter vi metallernes egenskaber. Magnesium 1,7 g/cm 3 Aluminium,7 g/cm 3 Titan 4,5 g/cm 3 Jern 7, g/cm 3 Kobber 9,0 g/cm 3 Guld 19,3 g/cm 3 Ædle og uædle metaller Mange metaller er ikke blanke og ser ikke ud til at have metalglans. Det skyldes, at der på overfladen er dannet en kemisk forbindelse mellem metallet og fx luftens oxygen. Hvis man sliber det yderste lag af, ses det blanke metal nedenunder. For mange metaller vil overfladen kort efter igen blive mat, fordi metal-atomerne på overfladen danner en kemisk forbindelse med andre stoffer. Disse metaller kaldes uædle metaller. Når man fx kigger på et stykke jern, ser man ikke jernet selv, men en kemisk forbindelse mellem jern og oxygen. Nogle metaller har dog altid en blank overflade. De kaldes ædelmetaller. Det er fx guld, platin og sølv. Atomerne af disse grundstoffer er så stabile, at de sjældent reagerer med andre stoffer. Derfor kan vi finde disse metaller i naturen. Alle andre metaller kan ikke findes rene i naturen. De findes som forskellige kemiske forbindelser, der slet ikke ligner metaller. Kopiark 6. Guld Grundstofsymbolet Au er en forkortelse af det latinske navn aurum efter Aurora, der var morgenrødens gudinde, Navnet guld kommer fra det oldnordiske goll. I et menneske er der 0,07 mg guld. I havvand findes der millioner af ton guld, men koncentrationen er så lille, at det aldrig vil kunne betale sig at udvinde guld af havvand. 113

114 METALLER OG IONER Legeringer En legering er en sammensmeltning af to eller flere metaller. Herved får man nogle egenskaber, som de oprindelige metaller ikke har. Faktisk bruger man sjældent de rene metaller. Fx er guldsmykker aldrig rent guld. De er lavet af en legering, hvor der er blandet andre metaller i guldet. Det kan du læse mere om i Cafe Kosmos: Guld til nytte og til pynt. Brug af helt rene metaller Metal Brug Egenskab Aluminium og titan Alt på et fly skal være så let som muligt. Derfor laves flyvemaskiner af aluminium, for det er et letmetal. Aluminium er dog ikke stærkt. Derfor bruger man en aluminiumlegering, der fx indeholder 95 % aluminium mens resten er en blanding af kobber og magnesium med små mængder af jern, nikkel og silicium. Understellet skal dog være utrolig stærkt. Det skal kunne holde til en hård landing. Her bruger man titan. Det er også et letmetal, men dog tungere end aluminium. Til gengæld er det lige så stærkt som stål. Men det er meget dyrere. Nyttige oplysninger Metalegenskaber er metalglans, høj elektrisk ledningsevne og høj varmeledningsevne. Tungmetallerne, fx jern og kobber, har en densitet over 5 g/cm 3. Letmetallerne, fx magnesium og aluminium, har en densitet under 5 g/cm 3. Ædelmetallerne, fx guld, platin og sølv, reagerer sjældent med andre stoffer. En legering er en sammensmeltning af to eller flere metaller. Kobber Aluminium Tin Chrom Kopiark 6.3 Elektriske ledninger og vandrør. I et enfamiliehus er der omkring 00 kg kobber. Alufolie til indpakning af madvarer. Belægning indvendig i konservesdåser. Belægning udvendig på vandhaner m.m. Kan tåle at bøjes. Fremragende elektrisk leder. Kan tåle at bøjes. Reagerer ikke kemisk ved kontakt med mad. Ikke giftigt. Ruster ikke. Stål og rustfrit stål Jerns egenskaber kan forbedres ved at tilsætte andre stoffer, så man får en legering. Rent jern er ikke særlig hårdt, men hvis der kommer carbon-atomer ind i jernet, bliver det meget hårdt. Man kan derfor forøge hårdheden ved at tilsætte carbon (0,15-1,5 %), når man vil lave jern om til det hårdere stål. Karosseriet i biler fremstilles af stålplader, der skal bøjes til den ønskede form. Stålet må derfor ikke være for hårdt. Det har et carbonindhold på op til 0,5 %. Maskiner og værktøj skal være hårdere. Derfor har de et carbonindhold på omkring 0,5 %. Meget hårdt stål får man med op til 1,5 % carbon. Hårdt stål bruges til bor og skæreværktøj, der kan bore og skære i jern og andre mere bløde metaller. Man fremstiller rustfrit stål ved at blande metallerne nikkel og chrom i stål. Det forøger stålets modstandsdygtighed over for angreb af vand, sved og andre kemikalier. Køkkenvaske, knive, gafler og skeer er ofte af rustfrit stål. Kopiark

115 METALLER OG IONER EKSPERIMENT Vi laver sølv - og guld -mønter I en dansk 50-øre er der en hel del kobber, og mønten er da også kobberfarvet. Vi kan forvandle den først til en sølvfarvet mønt og derefter til en guldfarvet mønt. I stedet for en rigtig mønt kan man bruge et stykke kobber som mønt. Kobberet skal være helt blankt. Mønten vaskes i sæbe og skylles ren i vand. En halv spatelfuld zinkpulver eller zinkgranulat hældes i 0 ml vand i et lille bægerglas. En stor spatelfuld zinkchlorid, ZnCl, hældes oveni, og der røres rundt, til alt zinkchlorid er opløst. Glasset opvarmes, til væsken koger. Mønten lægges ned i væsken, og kogningen fortsættes i ca. minutter eller mere. Herefter tages mønten op med en digeltang. Nu er mønten flot sølvskinnende. Derefter holdes sølvmønten ind i flammen fra en bunsenbrænder, og som ved et trylleslag forvandler sølvmønten sig til en guldmønt. Der er selvfølgelig hverken en sølveller guldbelægning på mønten, for der er hverken sølv eller guld til stede. Den sølvfarvede mønt opstår, fordi der afsættes et ganske tyndt lag af det sølvfarvede zink oven på mønten. Når mønten derefter opvarmes, smelter zinklaget, for zinks smeltepunkt ligger lige over 400 C, og gasflammens temperatur er på mindst 00 C. Det smeltede zink trænger ind i kobberlaget, så overfladen af kobbermønten omdannes til legeringen messing, der har en flot skinnende guldfarve. 115

116 METALLER OG IONER Metalteknologi Metaller bruges meget, fordi ingen andre stoffer er så stærke og samtidig så lette at forme. Der er flere metoder, man kan bruge, når man vil forme metaller. Prins Joachim får sit navn præget i guldtryk på det første eksemplar af den nye salmebog. Solen i Skive Rundt om byen Skive har man i rundkørsler placeret 11 "stjerner". Her ser Dronning Margrethe den største, Solen. Kuglen er over 6 m høj. Overfladearealet er 135 kvadratmeter. Solen er belagt med stykker bladguld. Trækning Kobbertråd til elektriske ledninger, ståltråd og andre former for metaltråde fremstilles ved med stor kraft at trække en metalstang gennem et hul, der er lidt mindre end stangen. Herved bliver stangen lidt tyndere. Således trækkes stangen igennem fx 9-10 huller, der bliver mindre og mindre. På denne måde bliver stangen tyndere og tyndere, og til sidst har man en metaltråd i den tykkelse, man ønsker. Materialet, som tråden glider igennem og presses sammen af, skal være meget hårdt, og det skal kunne klare det store slid, når kilometer efter kilometer af metaltråd fremstilles. Her bruger man bl.a. ædelsten, som fx agat. Guld er det metal, der er nemmest at trække ud til en lang tråd. Et gram guld har et rumfang svarende til størrelsen af en vanddråbe, og dette lille stykke guld kan trækkes ud til en tråd på tre kilometer. Bladguld Guld er også det metal, der kan bankes tyndest. Man starter med et kvadratisk, papirtyndt (0,0 mm) stykke guld, der lægges i en maskine, som banker det tyndere. Guldstykket klippes op i nye kvadrater, der yderligere bankes ned i tykkelse. Det gentages flere gange, og til sidst er tykkelsen kun en titusindedel millimeter (0,0001 mm). Tykkelsen svarer til atomer. Det er bladguld. Stykkerne er typisk x cm. Man kan ikke tage et stykke bladguld op med fingrene, for guldet vil klæbe til fingrene. Det vil gå i stykker, og det vil være svært at fjerne igen. Bladguld tages op med en fin pensel, hvorefter det placeres på det materiale, der skal forgyldes. Guldet holdes fast på penslen af en smule fedt. Det kommer på penslen, ved at man trækker penslen hen over håret eller kinden. Bladguldet kan også holdes fast på penslen, hvis den gøres lidt elektrisk ved at gnide den på en særlig klods. 116

117 METALLER OG IONER Ved valsning af stål til grove plader har stålet en temperatur på omkring tusind grader. Valsning For de fleste metaller kan en tyk plade af metallet presses til en tynd plade. Det foregår i en valse, hvor metalpladen presses ind mellem to metalruller af et hårdere metal. Rullerne skal kunne yde et meget stort tryk på metallet. For hver gang pladen har været igennem rullerne, gøres afstanden mellem rullerne mindre, indtil pladen er blevet så tynd, som den skal være. Inden valsningen kan man opvarme metallet. Så går det hurtigere, for metallet bliver blødere ved opvarmning. Hvis man vil have en pæn overflade på metallet, valses det uden opvarmning. Det gør man fx, når man fremstiller aluminiumsplader eller alufolie til køkkenet. Hærdning Når et metal har været smeltet, og det afkøles, begynder metallet at størkne flere steder samtidig. Der dannes små krystaller af metal i det smeltede metal. Efterhånden, som størkningen skrider frem, vil de størknede områder mødes, så der bliver grænseflader mellem krystallerne. Selv om metallerne altså ser helt glatte ud på overfladen, så er de opbygget af små metalkrystaller. Zinkkrystaller Urtepotten er af zink. Man ser store krystaller på overfladen. Normalt er metalkrystaller så små, at man kun kan se dem i et mikroskop, men zink er et af de metaller, der kan danne store krystaller. Lysmaster er lavet af jern med et overtræk af zink. Det er ofte nemt af se store krystaller af zink på overfladen af sådanne genstande. 117

118 METALLER OG IONER Man kan få små krystaller i et metal, hvis man smider det varme metal direkte ned i fx koldt vand. Herved vil metallet størkne så hurtigt, at krystallerne ikke får tid til at vokse. Et sådant metal med små krystaller bliver ofte meget hårdt, mens et metal, der er afkølet langsomt, får større krystaller og derfor bliver mere blødt. Krystaller i meteoritter Når man finder en sten med meget jern og nikkel, kan den komme ude fra rummet. Disse sten er afkølet ekstremt langsomt, og de har derfor en helt speciel krystalstruktur, som ikke findes på Jorden. På Danmarks Tekniske Museum støber børn tinsoldater. Flydende 400 grader varmt tin hældes i støbeformen Hårdhed Det er vigtigt at kunne fremstille et hårdt metal. Metallet på skæret af en kniv eller en saks skal selvfølgelig være hårdere end det materiale, der skal skæres. Ved at bruge et meget hårdt metal, kan man slå huller i et blødere metal. I fagsproget siger man, at man stanser huller i et metal. I industrien benytter man flere forskellige metoder til undersøgelse af metallers hårdhed. Ved én metode trykker man med en bestemt kraft spidsen af en diamant ned i metallet, hvorefter man måler, hvor stort et areal diamantspidsen har dannet i overfladen af metallet (Vickers-hårdheden). Ved en anden metode presser man en hærdet stålkugle ned i metallet, hvorefter man måler diameteren af den fordybning, der er dannet i metallet (Brinell-hårdheden). Kopiark 6.5 Støbning Når man skal støbe, smelter man metallet, og hælder det derefter ned i en støbeform, hvor metallet afkøles og størkner. Formen er lavet i to halvdele, så den kan åbnes, lige så snart det flydende metal er størknet. Herefter kan det størknede metal tages ud af formen. På denne måde er det hurtigt at fremstille mange metalgenstande. Man kan støbe alt lige fra små maskindele til store statuer. Støbeformen skal kunne tåle det smeltede metals høje temperatur. En støbeform til fremstilling af fx en skibsskrue til et stort skib bygges af sand og cement. Til mindre metalgenstande til fx en bilmotor bruger man en form, der kan genbruges, men det kan selvfølgelig kun lade sig gøre, hvis formen har et højere smeltepunkt end det smeltede metal, man hælder ned i den. Hvis en form er lavet af jern, kan man støbe genstande af aluminium, kobber og zink i den. 11

119 METALLER OG IONER EKSPERIMENT En synål slås igennem en kobbermønt Brug en bidetang til at klippe enden med øjet af en synål. Synålen skal klippes, så den er ca. mm længere end en korkprop fra fx en vinflaske. Evt. skal et stykke af proppen skæres af. Tryk derefter synålen ned gennem en korkprop, så spidsen af nålen lige akkurat stikker lidt ud, mens den tykke ende af nålen er lige i overfladen af proppen. Læg mønten på et stykke træ. Sæt proppen oven på mønten med spidsen af nålen mod mønten, og slå. Jernet i synålen er hårdere end møntens metal. Nålen knækker ikke. Den holdes på plads af korkproppen. Svejsning Når man vil lave en virkelig holdbar samling mellem to stykker metal, svejses de sammen. Man holder de to stykker tæt sammen og opvarmer derefter kanterne, så metallerne smelter sammen. Det er ofte jern, der svejses, men aluminium kan også svejses. Opvarmningen kan ske ved autogensvejsning, hvor man laver en svejseflamme ved at brænde en blanding af gassen acetylen og ren oxygen. Temperaturen i svejseflammen bliver mere end 000 C. Opvarmningen kan også ske ved elektrosvejsning, hvor man sender en kraftig strøm igennem samlingen mellem de to metaller. Den elektriske strøm opvarmer metallet, så det smelter. Lodning Ved lodning laver man også en holdbar forbindelse mellem to metalstykker, men uden at smelte metallerne. Man bruger et loddemetal. Det kan være loddetin. Det er en legering af tin og sølv. Den skal kun opvarmes til nogle få hundrede grader celsius, før den smelter. Loddetinnet opvarmes af en loddekolbe. Loddetin bruges til lodning af tynde metalstykker og elektroniske komponenter. Loddemetallet skal have et smeltepunkt, der er lavere end smeltepunkterne af de metaller, der skal bindes sammen. Loddemetallet varmes op, til det smelter, og det får lov at løbe ned i mellemrummet mellem de to metalstykker. Når loddemetallet størkner igen, er de to metalstykker bundet sammen. Kopiark 6.6 og 6.7 Svejsning af stålrør til fjernvarme. Nyttige oplysninger Bladguld har en tykkelse på en titusindedel millimeter. Hærdning af stål foregår ved hurtig afkøling af det varme stål. Støbning foregår i en støbeform. Svejsning foregår ved at kanterne på to stykker metal opvarmes, så kanterne smelter sammen. Lodning kræver et loddemetal med lavere smeltepunkt end de to metalstykker, der skal loddes sammen. 119

120 METALLER OG IONER Elektronfordelingen i atomerne Grundstof nr., helium Grundstof nr. 6, carbon Grundstof nr. 7, nitrogen Grundstof nr. 1, magnesium Grundstof nr. 17, chlor n protoner 6 protoner, 4 7 protoner, 5 1 protoner,, 17 protoner,, 7 Ioner I naturen er det kun ædelmetallerne, der kan findes som frit metal. Alle andre metaller findes i kemiske forbindelser som metal-ioner. Hvad er ioner? Elektronerne i atomerne Alle atomer er opbygget af de tre partikler: protoner, neutroner og elektroner. Protonerne og neutronerne findes i atomkernen, mens elektronerne findes i skaller omkring atomkernen. Man kan forestille sig elektronerne i baner omkring atomkernen, lidt som planeterne bevæger sig omkring Solen. Protonerne er positive, mens elektronerne er negative. Da atomet skal være neutralt, er der lige så mange elektroner, som der er protoner. I fx et atom af grundstof nr. 17, chlor, er der 17 protoner i kernen, og 17 elektroner rundt om kernen. I den elektronskal, der er nærmest kernen, kan der kun være to elektroner. I næste elektronskal,. skal, kan der være otte elektroner. I 3. skal kan der være i alt 1 elektroner. Det maksimale antal elektroner i en skal kan angives ved udtrykket n, hvor n er skallens nummer. Grundstof nr. 17, chlor, har 17 elektroner. Der er to i første skal, otte i anden og syv i tredje skal. Det skrives,, 7. I den yderste skal er der dog aldrig mere end højst otte elektroner. I grundstoffernes periodiske system bagest i bogen kan man se elektronfordelingen for alle grundstofferne. Helt til venstre er angivet periodenummeret. Det fortæller, hvor mange elektronskaller der er i et bestemt grundstof. Fx er grundstof nr. 6, jern, placeret ud for 4. periode. Det er fordi, jernatomet har elektroner fordelt på fire elektronskaller. Formlen viser, hvor mange elektroner der maksimalt kan være i den n te skal. n er skallens nummer. Elektronfordelingen i et jernatom Jernatomet har elektroner i inderste skal, i anden, Jern 6 Fe = 1540 C i tredje og i fjerde skal. Elektronfordelingen er,, 14,. T k = 760 C d = 7,7 g/cm 3 10

121 METALLER OG IONER Dannelse af metal-ioner Grundstof nr. 11 er natrium. Det kemiske symbol for natrium-atomet er Na. Atomet har 11 protoner i kernen og 11 elektroner udenom. Da der er lige mange protoner og elektroner, er atomet neutralt. Natriums elektronfordeling er ikke stabil. De 11 elektroner er fordelt med to i 1. skal, otte i anden og en i 3. skal. Elektronen i 3. skal er kun løst bundet, og der skal kun lidt energi til, for at elektronen løsrives fra atomet. Hvis det sker, vil antallet af protoner i kernen stadigvæk være 11, men nu er der kun 10 elektroner. Hele atomet har derfor en elektrisk ladning på 1+. Derfor kaldes det ikke længere et atom, men en ion. En ion er altså et atom med en elektrisk ladning. Det kemiske symbol for natrium-ionen er Na +. Reaktionen for dannelse af en natrium-ion skrives: Na Na + + e, hvor e er symbolet for en elektron. Kopiark 6. og 6.9 Ædelgasreglen Elektronfordelingen for natrium-atomet er,, 1. Ved ændringen af natrium-atomet til ionen Na +, skiftede fordelingen til,. Herved får ionen otte elektroner i yderste skal, og dermed er ædelgasreglen opfyldt. Ædelgasreglen siger, at atomer med samme elektronfordeling som en ædelgas er særlig stabile. Ædelgasserne har netop otte elektroner i yderste skal. Alle andre atomer har færre. Dog har den første ædelgas, grundstof nr., helium, kun to elektroner. Faktisk bør ædelgasreglen udtrykkes på følgende måde: Ioner med samme elektronfordeling som en ædelgas er særlig stabile. Magnesium, grundstof nr. 1, har elektronfordeling,,. Magnesium-atomet har heller ikke en stabil elektronfordeling. De to elektroner i tredje skal er kun løst bundet. Hvis magnesium-atomet mister disse to elektroner til et andet stof, dannes en magnesium-ion, Mg +. Denne ion har netop otte elektroner i anden skal, som nu er blevet yderste skal. Herved er ædelgasreglen opfyldt for ionen Mg +. Vi får aldrig dannet fx ionerne Mg + eller Mg 3 +, for i disse ioner er ædelgasreglen ikke opfyldt. Reaktionen for dannelse af en magnesium-ion skrives: Mg Mg + + e Dannelse af en natrium-ion Når et natrium-atom mister en elektron, bliver det til en natrium-ion. Ædelgasreglen Ioner med samme elektronfordeling som en ædelgas er særlig stabile. Dannelse af en magnesium-ion Når et magnesium-atom mister to elektroner, bliver det til en magnesium-ion. Na 11 Natrium Na Mg 1 Magnesium + Mg 1 Magnesium-ion 1+ Natrium og magnesium Natriumatom Natriumion Magnesiumatom Magnesiumion Elektronfordelingen i atomer og ioner af natrium og magnesium. 11

122 METALLER OG IONER Det periodiske system H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg UubUutUuqUup La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Ioner Alle metallerne danner positive ioner. Natrium-ionen har formlen Na +. Ikke-metallerne danner oftest negative ioner. Oxid-ionen har formlen O. Chlorid-ionen har formlen Cl. Hydrogen er et ikke-metal, men danner ionen H +. Nyttige oplysninger Ædelgasreglen: Ioner med samme elektronfordeling som en ædelgas er meget stabile. Metallerne danner positive ioner, når metalatomet afgiver elektroner. Ikke-metallerne danner negative ioner, når atomet optager elektroner. Metal-ioner lyser med en særlig flammefarve, når de opvarmes til høj temperatur. 1.,. og 3. hovedgruppe i det periodiske system Alle atomer af grundstofferne i 1. hovedgruppe har netop én elektron i yderste skal. Den mistes let, og ionerne vil derfor alle få en positiv ladning på én. Fx bliver hydrogen, H, til en hydrogen-ion, H +. lithium, Li, til en lithium-ion, Li +, og kalium, K, til en kalium-ion, K +. Atomerne i. hovedgruppe har to løst bundne elektroner i yderste skal. Når de mistes, har de dannede ioner opfyldt ædelgasreglen. Fx bliver et calcium-atom, Ca, til en calciumion, Ca +. I 3. hovedgruppe bliver fx aluminium, Al, til en aluminium-ion, Al 3 +. Reaktionen kan skrives: Al Al e. Ikke-metallernes ioner Hydrogen er placeret i 1. hovedgruppe, men det er en helt usædvanlig placering for et ikke-metal. Størstedelen af ikkemetallerne findes i 5., 6. og 7. hovedgruppe. Det er fx nitrogen, oxygen og chlor. Oxygen-atomet har seks elektroner i yderste skal. Hvis det mister disse seks elektroner, vil atomet blive til en ion med ædelgasreglen opfyldt, men ikke-metallerne afgiver sjældent elektroner. De optager elektroner, fx fra metal-atomer. Derfor optager oxygen-atomet to elektroner og får herved otte elektroner i yderste skal. Oxygen-atomet bliver til en negativ ion, en oxid-ion, O. Hermed er ædelgasreglen opfyldt. På samme måde optager grundstof nr. 17, chlor, en enkelt elektron. Chlor står i 7. hovedgruppe, fordi chlor-atomerne har syv elektroner i yderste skal. Ved at optage en elektron bliver chlor-atomet til en chlorid-ion, Cl. Reaktionerne for dannelse af en oxid-ion og en chlorid-ion kan skrives således: O + e O og Cl + e Cl. Kopiark 6.10 og 6.11 Reaktionsskemaer Et reaktionsskema viser, hvilke stoffer der reagerer med hinanden, og hvilke nye stoffer der dannes ved reaktionen. De stoffer, der reagerer med hinanden, kaldes reaktanter. De stoffer, der dannes, kaldes produkter. Man kan skrive et symbolsk reaktionsskema på denne måde: reaktanter produkter. 1

123 METALLER OG IONER EKSPERIMENT Magnesium reagerer med luftens oxygen og med vanddamp. Jern reagerer med luftens oxygen. Et stykke magnesiumbånd på ca. 10 centimeters længde holdes med en digeltang. Magnesiumbåndet holdes ind over en bunsenbrænderflamme, så den nederste ende af magnesiumbåndet antændes. Hold det brændende magnesium hen over en keramisk flise. Kig ikke direkte på flammen, for lyset er meget kraftigt. Ved reaktionen mellem magnesium og luftens oxygen dannes der et fast, hvidt stof, magnesiumoxid, MgO. Hæld lidt vand i bunden af et bægerglas. Der fyldes oxygen i glasset, og en glasplade lægges over. Noget ståluld rulles sammen til en kugle. Med en digeltang holdes stålulden ind i bunsenbrænderflammen, indtil stålulden gløder. Glaspladen fjernes, og kuglen føres hurtigt ned i bægerglasset. Ved reaktionen med oxygen brænder jernet til det faste stof jern-oxid, Fe O 3. Man ser, at der falder glødende stumper af jern-oxid og små dråber af glødende, smeltet jern ned i vandet. Flammefarver Når metaller brænder, udsender de et kraftigt lys. Magnesium og jern udsender hvidt lys, men nogle metaller udsender farvet lys. Man kalder det metallernes flammefarve. Det udnytter man i fyrværkeri. I krudtet har man tilsat kemiske stoffer, der indeholder ioner af forskellige metaller, så man på den mørke nattehimmel får røde, grønne, gule og violette farver. Kopiark

124 METALLER OG IONER Fordelingen af grundstoffer i Jordens overflade Magnesium % Jern % Calcium 3% Hydrogen 3% Aluminium 7% Silicium 1% Oxygen 6% Metallerne udvinding og genbrug Jern er det billigste metal. Aluminium er tre gange så dyrt som jern. Kobber er fire gange dyrere end jern. Sølv er 1000 gange dyrere, mens guld er gange dyrere. Prisen afhænger af, hvor meget der findes i jordskorpen, og hvor dyrt det er at udvinde metallerne. I jorden er der meget mere aluminium end jern, men aluminium er meget dyrere at fremstille. Metallernes forekomst I Jordens skorpe, dvs. den alleryderste del af Jorden, både land og hav, er der mest af grundstoffet oxygen og næstmest af silicium. Begge stoffer er ikke-metaller, og de findes i forskellige kemiske forbindelser i jorden. Hydrogen får så høj en placering, fordi der er masser af havvand, og hydrogen er en del af vandmolekylet. Hvis man ser på hele Jorden, kommer jern ind på en førsteplads. Det skyldes, at der er masser af jern inde midt i Jorden. Det er meget få metaller, der findes som rene grundstoffer. De fleste findes som kemiske forbindelser i sten. En sådan sten, der indeholder et metal, kaldes en malm. Hvis indholdet af metallet i malmen er for lille, vil omkostningerne ved at udvinde metallet måske blive for store. Selv hvis metalindholdet i malmen er højt, kan det ikke betale sig at udvinde det, hvis den samlede forekomst af metallet i området er for lille. Miner Nogle metaller kan man grave ud på jordoverfladen i en åben mine, men ofte må man grave lange gange nede i jorden. Bl.a. derfor er der enorme udgifter forbundet med minedrift. Der skal også bygges en stor fabrik, beboelsesområder, veje og evt. en havn. På Grønland har man fundet flere forekomster af metal, men det har hidtil været for dyrt at anlægge miner i større målestok. Hvis isen i Nordhavet fortsætter med at smelte, bliver Grønland langt mere interessant til minedrift. I Syddanmark er der ingen udvinding eller fremstilling af metal. Vi importerer alt. 14

125 METALLER OG IONER Udvinding af metal ristning og reduktion Nogle ganske få metaller findes i kemiske forbindelser, der kun skal opvarmes lidt for at spaltes, så det rene metal bliver frit. Det er fx kviksølv. Ved opvarmning af nogle kviksølvforbindelser flyder det rene kviksølv ud. Andre kemiske forbindelser med fx kobber skal opvarmes kraftigt. Ved opvarmningen reagerer luftens oxygen med kobberforbindelsen, så der dannes et kobber-oxid. Det kalder man en ristning. For derefter at fjerne oxygen fra kobberet blander man kobber-oxidet med glødende kul. Carbon-atomerne i kullet fjerner oxygen fra kobber-oxidet, så der dannes carbondioxid og det rene metal. Denne proces kaldes en reduktion. Jern fremstilles også ved en reduktion. Kopiark 6.13 Fremstilling af jern Jern udvindes ofte af jernmalmen, magnetit, der er et jern-oxid med formlen Fe O 3. Jernmalmen blandes med kul og kalk i en højovn, der kan være op til 40 meter høj og 10 m bred. I højovnen brændes kullet af, og den dannede luftart carbonmonoxid, CO, reagerer med jern-oxidet, så der dannes smeltet, glødende jern. Det løber ned gennem højovnen og kan aftappes forneden. Efterhånden som jernet aftappes, og kullet brænder, fylder man mere kul og jernmalm ind foroven i højovnen. Fremstilling af aluminium - elektrolyse Aluminium er det metal, der er mest af i Jordens overflade. Der er aluminium i hver eneste håndfuld jord, men indholdet er ofte for lille, til at det kan betale sig at udvinde det. Nogle metaller, som fx aluminium, er så kraftigt bundet i de kemiske forbindelser, at man kun kan få det rene metal ud ved elektrolyse. Her sender man elektrisk strøm gennem den smeltede sten. Det kræver meget elektrisk energi, og det er derfor en dyr proces. Aluminium udvindes af mineralet bauxit, der indeholder op til 40 % aluminium-oxid, Al O 3. Bauxit skal smeltes, men da det har et smeltepunkt på ca. 000 C, vil det kræve meget energi. Det løses ved at blande bauxit med stoffet kryolit, for Højovn fremstilling af jern Jernmalm, stenkul og kalk Varm luft Smeltejern Lag af fast elektrolyt Indervæg af grafit Stålbeholder Gasser Aluminiumfremstilling Bauxit i smeltet kryolit Slagger Elektrode af grafit Smeltet aluminium, der synker til bunds. 15

126 METALLER OG IONER Aluminiums stærke hinde Hjørnet af et 3-4 mm tykt stykke aluminium holdes ind i en bunsenbrænderflamme. I løbet af kort tid kan man se, hvordan metallet i hjørnet bliver flydende, men det flyder ikke ud. Man kan se, hvordan det flydende metal holdes på plads af en hinde. Hvis man tager en knappenål og prikker hul på hinden, løber der flydende metal ud af hullet. Her ser man, hvordan rent aluminium ser ud. EKSPERIMENT Det yderste lag på et stykke aluminium består af aluminium-oxid, Al O 3. Det har et smeltepunkt på over 000 C, mens aluminium smelter allerede ved 660 C. Aluminiums stærke overflade herved falder smeltepunktet for blandingen næsten tusind grader. Så spares megen energi. Ved elektrolysen spaltes aluminium-oxidet, så man får det rene aluminium. Oxygen (O ) Aluminium Aluminium Luftens oxygen kan ikke komme igennem det beskyttende lag. Aluminium reagerer med oxygen og danner et beskyttende lag af aluminium-oxid, Al O 3. Korrosion Med undtagelse af ædelmetallerne reagerer alle metaller med luftens oxygen. Denne reaktion kaldes korrosion. Jern er også udsat for korrosion. Man siger, at jernet ruster. Mange metaller, som fx aluminium, reagerer med luft og vand, men på disse metaller dannes der en beskyttende hinde af metal-oxid. Et nyt stykke aluminium er helt blankt, men efter nogle måneder bliver overfladen mat. Overfladen er blevet til aluminium-oxid, og denne hinde er meget stærk. Den beskytter det underliggende aluminium mod yderligere angreb. I rustfrit stål danner chrom-atomerne på overfladen et lag af chromoxid. Det beskytter jernet nedenunder. Jern har det desværre ikke på samme måde, men danner rust. 16

127 METALLER OG IONER Rust Jern er det metal, der bruges mest. Der er meget af det, det er billigt at udvinde, og det er let at bearbejde. Det har dog en stor ulempe. Det tåler ikke luft og vand. Jern ruster, og rusten forhindrer ikke, at jernet ruster videre neden under den først dannede rust Man kan beskytte jern mod rust på flere måder. Den mest simple er ved en overfladebehandling. Man kan ved fremstilling af jerngenstanden lægge et beskyttende lag af et andet metal udenpå. Det kan være zink, chrom eller nikkel. Man kan også male hele jerngenstanden. Det hindrer luft og vand i at komme i kontakt med metallet. Der er flere andre metoder. De bliver beskrevet i Kosmos C. Kopiark 6.14 og 6.15 Genbrug af metaller Der er ikke ubegrænsede mængder af metaller i jorden, og den ene mine efter den anden bliver tømt. Derfor forsøger man at indsamle brugte metaller og genbruge dem. Det bliver heldigvis lettere, for jo mindre der er af et metal, jo dyrere bliver det. Så det kan betale sig at indsamle metalaffald. Det er ikke nemt at genbruge metaller. Metalaffaldet skal indsamles og transporteres til en genbrugsfabrik, og her skal hvert metal skilles fra alle andre metaller og stoffer. I første omgang sorterer man i hånden. Derefter bruger man en kraftig magnet, der opsamler alle jerngenstande. Jern bliver der ikke mangel på foreløbig, for man har allerede fundet nye, store forekomster, men kobber kan der blive mangel på, for man har ikke fundet tilstrækkeligt med nye forekomster. Måske er der kun kobber til 100 års forbrug. Det vil give os problemer, for vi kan ikke undvære kobber til elektriske ledninger. Derfor genbruges meget kobber, og man regner med, at ca. 0 % af alt kobber, som man har fundet, stadig er i brug. Aluminium er dyrt at fremstille, og derfor indsamler man gammelt aluminium som fx sodavands- og øldåser. Det er nemlig langt billigere at smelte det hele om end at fremstille nyt aluminium. I en almindelig personbil kan der ud over jern være fx 45 kg aluminium, 10 kg bly, 5 kg zink og 9 kg kobber. Nyttige oplysninger Det billigste metal er jern. Malm er mineraler med et højt indhold af et metal. Aluminium er det hyppigst forekommende metal i jordskorpen. Ved ristning opvarmes malmen kraftigt i fri luft. Ved reduktion opvarmes malmen sammen med fx kul. Korrosion er betegnelsen for metallers reaktion med vand og luft. Rust dannes, når jern reagerer med luft og vand. 17

128 CAFE KOSMOS GULD TIL NYTTE OG TIL PYNT Alle ved, at guld er meget dyrt. Alligevel kan det i moderne huse betale sig at isolere med guld. To astronauter på rumvandring. Den anden spejles i guldet i visiret. Mønter af helt rent guld bruges kun som investering. De gemmes i en bankboks. ENERGIRUDER Det koster rigtig mange penge at opvarme vore huse om vinteren. Myndighederne kræver, at nybyggede huse skal være mere energibesparende end tidligere. Derfor er kravene til husenes isolering sat op. I vægge, gulve og især i lofterne skal tykkelsen af isoleringsmaterialet være større og større. Men det meste varme ryger ud af vinduerne. Man kan spare energi ved at bruge termoruder med flere lag glas og med varmeisolerende luftarter som ædelgassen argon i lagene mellem glassene, men rigtige energiruder får man ved bl.a. at bruge guld. Et af glassene i ruden har fået en tynd belægning af fx guld. Laget af guld er så tyndt, at man ser lige gennem det, men guldlaget har den funktion, at det reflekterer den varmestråling (den infrarøde stråling), der kommer fra den varme stue. Varmen kastes tilbage. KOGT ASTRONAUT Opdagelsen af at guld kaster varmestråling tilbage, blev efterprøvet af astronauter. Deres visir på hjelmen er belagt med et sådan tyndt lag guld. De kan sagtens se ud gennem det, men når vi ser astronau- ten udefra, virker visiret som et spejl. Det reflekterer 9 % af den kraftige varmestråling i Solens lys. Vi mærker ofte varmen fra Solen, men her på Jordens overflade er sollyset blevet dæmpet af atmosfæren. Ude i rummet rammes astronauten direkte af lyset og den infrarøde stråling fra Solen ville få huden på astronautens ansigt til at koge. Af samme årsag beskytter man satellitter mod for kraftig opvarmning ved at pakke dem ind i tyndt guldfolie. GULD I SOLBRILLER Denne teknologi er blevet brugt som mode. Glassene på nogle solbriller er belagt med et meget tyndt lag rent guld. Man ser fint gennem glassene, men udefra virker de som et gul-farvet spejl. GULDLEGERINGER Der er guld i en ipod, i en telefon, i en pacemaker og i rumraketter. Elektronikindustrien bruger mere end 150 ton guld om året. Guld er nemlig en god elektrisk leder. I en computerchip forbindes det indre 1

129 CAFE KOSMOS En turist foran Peterskirken i Rom. Glassene på solbrillerne har en tynd belægning af guld naturkatastrofer går prisen på guld op. I urolige tider vil mange købe guld i håb om, at det kan holde sin værdi i modsætning til aktier og obligationer. Set over lang tid har guld altid været en god investering. Priserne stiger stadig, for det bliver stadig sværere at grave mere guld op. For at finde mere guld må man grave længere og længere ned i jorden. Det er rentabelt, hvis blot der kan udvindes 10 g guld af et ton malm. Endelig er der også blevet større efterspørgsel rundt om i verden, fx på grund af den voksende velstand i bl.a. Kina og Indien. af chippen med ydre ledninger ved lodninger med guld. Det bruges også til overfladebelægning af kontakter. Andre metaller vil ved sådanne kontaktpunkter danne kemiske forbindelser, som fx oxider, der ikke leder den elektriske strøm. Det sker ikke med guld. Guldoverfladen ændres ikke ved, at der slår gnister fra overfladen, og ædelmetaller danner ikke kemiske forbindelser på overfladen ved kontakt med andre stoffer. GULDSMYKKER Ædelmetallerne er velegnede som smykker. Metallerne reagerer ikke med hud, vand, sæbe, og hvad de ellers kommer i kontakt med. Men da guld er blødt, kan man ikke bruge rent guld som smykker. Det vil få mærker af stød og slag. Det bøjes nemt og får ridser. I guldsmykker har man blandet et hårdere metal i guldet. Oftest tilsætter man kobber, der er hårdere end guld. På grund af kobbers røde farve får sådanne guldsmykker en mere rødlig farve. Legeringen hvidguld har en mere hvid farve end guld. Det skyldes, at man i stedet for kobber har tilsat sølv, det sølvfarvede nikkel eller det dyre, sølvfarvede platin. Noget af det bedste at fylde i huller i tænderne er guld. For at gøre det hårdere bruger man en legering med platin. For at vide, hvor meget guld der faktisk er i et guldsmykke, har man indført betegnelsen karat. Et helt rent stykke guld har 4 karat. Et 1 karat smykke indeholder kun 75 % rent guld. I et sådant smykke har man præget tallet 750 ned i bagsiden af smykket. Det fortæller, hvor mange promille (tusindedele) rent guld der er i smykket. I Danmark må man sælge guldsmykker, hvor kun en tredjedel er rent guld, dvs. karat. I Frankrig er det kun tilladt at sælge guldsmykker på mindst 1 karat, men i Tyskland må man sælge guldsmykker på kun 4 karat. Her er kun 16 % rent guld. PRISEN PÅ GULD Prisen på guld går op og ned. Specielt i tider med uro, krige og 19 I 007 steg prisen på guld med 3 %. En terning på 1 cm 3 koster omkring 000 kr. Der udvindes mere end 000 ton om året. I alt er der hidtil udvundet så meget guld, at det samlet ville fylde en terning med en sidelængde på 0 m. Danmarks Nationalbank har i mange år ejet den samme mængde guld. Det er 67 ton guld til en værdi af over otte milliarder kroner. Størstedelen af det danske guld opbevares i London, mens resten er placeret i hhv. Fort Knox i USA, i Schweiz og i Nationalbanken i København. I USA har man den største mængde af guld.

130 DET VED DU NU OM METALLER OG IONER METALLER OG LEGERINGER METALTEKNOLOGI IONER Metallerne har metalglans, og de er gode elektriske ledere. De er også gode varmeledere. Grundstofferne deles op i metaller og ikke-metaller. Metallerne deles op i letmetaller og tungmetaller. Ædelmetallerne er fx guld, platin og sølv. Legeringer er en sammensmeltning af to eller flere metaller. Stål er jern med omkring 1 % carbon. Rustfrit stål er stål med nikkel og chrom. Messing er en legering af zink og kobber Metaltråde fremstilles ved trækning. Bladguld er omkring 0,0001 mm tykt. Metalplader gøres tyndere ved valsning. Ved hærdning bliver metaller hårdere. Ved svejsning smeltes metaller sammen METALLERNE UDVINDING OG GENBRUG En positiv ion dannes ved, at et atom afgiver en eller flere elektroner. Metallerne danner positive ioner. En natrium-ion har det kemiske symbol Na +, en magnesium-ion Mg +. En negativ ion dannes ved, at et atom modtager en eller flere elektroner. Ikke-metallerne danner negative ioner. En chlorid-ion har det kemiske symbol Cl, en oxid-ion O. Ædelgasreglen siger, at ioner med samme elektronfordeling som en ædelgas er særlig stabile. Jern er det billigste metal. I jorden er der meget mere aluminium end jern Aluminium er meget dyrt at udvinde. Malm er navnet på sten, der indeholder meget af et metal. I Danmark er der ingen udvinding eller fremstilling af metaller. Jern ruster. Aluminium danner en beskyttende hinde af aluminium-oxid. 130

131 PRØV DIG SELV Hvilke tre egenskaber har metallerne? Nævn nogle letmetaller og nogle tungmetaller. Hvad er en legering? Hvad er stål? Hvad er messing? Hvilke metaller kan man finde i en bil? KAN DU HUSKE? UDFORDRING Undersøg dit værelse for metaller. Lav en liste over, hvad de bliver brugt til, og find ud af, hvilket metal der er tale om. Hvilke metaller er Eiffeltårnet i Paris, Frihedsgudinden i New York og Den lille Havfrue i København lavet af? Søg på internettet for at finde ud af, hvilke legeringer euromønterne indeholder. FORSTÅR DU? Hvad er det, der gør nogle metaller til ædelmetaller? Hvorfor skal et loddemetal have et lavt smeltepunkt? Hvorfor har alle metallerne positive ioner? Hvorfor danner metallerne i 1. hovedgruppe positive ioner med ladningen 1+? Hvorfor er aluminium dyrere at fremstille end jern? 131

132 Syrer

133 og baser SYRER OG BASER SYRER, ph OG NEUTRALISATION KATALYSATORER OG ENZYMER FARLIGE STOFFER CAFE KOSMOS: SYRE I MAVEN Når mange mennesker hører ordet syre, forbinder de det med noget farligt. Det kan være rigtigt, for syrer kan være farlige, men der er masser af syrer, som vi spiser med fornøjelse, og som er vigtige for kroppens funktion. Vi kan lide den syrlige smag i æbler, appelsiner, ananas og yoghurt. Men under køkkenvasken eller gemt i et andet skab har de fleste hjem også syrer, man skal passe på. Det kan være syrer, som bruges til afkalkning af vandhaner og fliser i badeværelset. Og mange mennesker arbejder med rigtig stærke syrer. Hvis man ikke ved, hvordan man skal omgås syrer, kan det blive farligt. Hvilke madvarer er sure? Hvilke former for syrligt slik kender du? Hvordan fjerner man kalk i en vandhane eller på væggen i en bruseniche? Hvorfor smager det surt, når man har kastet op? Hvad er en katalysator til en bil? 133

134 SYRER OG BASER Syrer og baser Alle sure madvarer indeholder en syre. Den syrlige smag i frugter og i forskellige mælkeprodukter kommer fra forskellige syrer. Citroner, eddike og kærnemælk indeholder hver sin syre. I de syrlige frugter beskytter syren frugterne mod angreb af bakterier. Nogle kemiske stoffer har en virkning modsat syrerne. De kaldes baser. De findes sjældent i mad, for baser er ofte farlige. Trivialnavne for nogle organiske syrer De organiske syrer har ofte navn efter, hvad man har fundet dem i. Disse navne kaldes trivialnavne. Syren i æbler hedder æblesyre Syren i vindruer hedder vinsyre Syren i citroner hedder citronsyre Syren i eddike hedder eddikesyre Syren i mælkeprodukter hedder mælkesyre Syren i vand med brus hedder kulsyre De organiske syrers kemiske navne Når en kemiker læser en syres kemiske navn ved hun straks, hvordan syren er opbygget. Til gengæld er navnene blevet meget længere, så man bruger ofte trivialnavnene. Kulsyres kemiske navn er carbonsyre Eddikesyre: ethansyre Mælkesyre: -hydroxypropansyre Vinsyre:,3-dihydroxybutandisyre Citronsyre: -hydroxy-1,,3-propantricarboxylsyre Syren i maden er en organisk syre Når man vil fremstille yoghurt, kærnemælk og tykmælk tilsætter man mælkesyrebakterier til mælken. Der dannes mælkesyre, når mælkesyrebakterierne nedbryder det sukker, der findes i mælken. Mineralvand med brus, øl og champagne har en svag syrlig smag, der kommer fra syren kulsyre. Den opstår i vandet, når man leder luftarten carbondioxid, CO, ned i vand. Spiseeddike indeholder omkring fire til syv procent eddikesyre. Syrer i madvarer er næsten altid de såkaldte organiske syrer. Organisk betyder, at de kommer fra levende organismer, dvs. planter eller dyr. Alle de organiske syrer i frugter og andet spiseligt er opløst i vand. Men kemikerne kan fremstille de rene syrer. Nogle af dem er væsker, mens andre er faste stoffer. Citronsyre er et hvidt pulver, mens eddikesyre er en væske. I en butik får man citronsyre i en papirindpakning eller i en bøtte, mens eddikesyre sælges i en flaske. Uorganiske syrer stærke og svage syrer De fleste syrer i planter og dyr kaldes organiske syrer, mens syrer, der fremstilles af mineraler, kaldes uorganiske syrer. De uorganiske syrer kan ikke findes i større mængde i naturen. De fremstilles alle teknisk. Alle de organiske syrer betegnes som svage syrer, og de fleste af dem er ikke farlige. Det er derimod nogle af de uorganiske syrer, fx svovlsyre, saltsyre og salpetersyre. Disse tre syrer betegnes som stærke syrer. Svovlsyre har den kemiske formel H SO 4, saltsyre har formlen HCl og salpetersyre HNO 3. Kopiark

135 SYRER OG BASER Fortyndede og koncentrerede syrer De uorganiske syrer er altid opløst i vand. Hvis der kun er lidt syre opløst, kaldes syren fortyndet. Hvis der er opløst så meget syre i vandet, som det er muligt, kaldes syren koncentreret. Man skal ikke smage på de uorganiske syrer, men hvis man smagte på en meget fortyndet uorganisk syre, ville den også smage surt. Der er dog en uorganisk syre, som mange tit drikker. Den er tilsat cola for at give den sure smag. Det er phosphorsyre, H 3 PO 4. Baser Nogle kemiske stoffer har en virkning modsat syrerne. De kaldes baser. Dem er vi ikke vant til at smage. Man siger, at de smager lud-agtigt. Lud er et gammelt ord for sæbe. Det er dog ikke en god ide at smage på baser, for mange af dem er farlige. Vinduesrens, afløbsrens og sæbe til opvaskemaskiner indeholder baser, man ikke skal smage på. Baserne har den egenskab, at de kan opløse fedt. En meget brugt base hedder natriumhydroxid. Den har den kemiske formel NaOH. Natriumhydroxid er et fast stof, der let opløses i vand. Når man køber afløbsrens, er der natriumhydroxid i. Hvis køkken- eller håndvasken er tilstoppet, hældes afløbsrens i. Basen opløser fedtet, så fedtproppen løsnes. Mange rengøringsmidler indeholder ammoniak, NH 3. Ammoniak er luftart, der let opløses i vand. I laboratoriet kaldes denne opløsning ammoniakvand, og den er en base. Vinduesrens indeholder ammoniak. Det kan fjerne fedtet på ruderne. I butikkerne kan man købe en koncentreret opløsning under navnet salmiakspiritus. Den kan man selv fortynde. Kemisk formel for nogle uorganiske syrer Svovlsyre, H SO 4 Saltsyre, HCl Salpetersyre, HNO 3 Phosphorsyre, H 3 PO 4 Kemisk formel for nogle baser Natriumhydroxid, NaOH Ammoniakvand, NH 3 Hydroxid-ionen, OH I basen natriumhydroxid er det faste natriumhydroxid, NaOH, sammensat af to ioner: en natrium-ion, Na+, og en hydroxid-ion, OH. I basen ammoniakvand har luftarten ammoniak, NH 3, reageret med vandet og har dannet stoffet ammoniumhydroxid, NH 4 OH. Det er i vandet i to ioner: en ammonium-ion, NH 4 +, og en hydroxid-ion, OH. Både natriumhydroxid og ammoniakvand indeholder således den samme ion, hydroxid-ionen, OH. Denne ion findes i alle vandige opløsninger af baser. 135

136 SYRER OG BASER Brønsteds syre- og basedefinition Johannes N. Brønsted, dansk professor i kemi ( ). Brøndsted har givet den definition på syrer og baser, som bruges overalt i verden. Nyttige oplysninger En hydrogen-ion, H +, opstår, når et hydrogen-atom, H, mister sin elektron. En hydroxid-ion, OH, er en kemisk forbindelse af et oxygen-atom og et hydrogenatom med en ekstra elektron. En syre kan fraspalte hydrogen-ioner, H +. Definition på syrer og baser Alle syrer indeholder hydrogen. Det er der mange andre stoffer, der også gør, men i syrerne kan dette hydrogen fraspaltes som en hydrogen-ion, H+. Hvis en syre kommer i kontakt med en base, vil syren miste en hydrogen-ion til basen. Dvs. en syre er et stof, der indeholder hydrogen-ioner, der kan fraspaltes. De to baser, ammoniumhydroxid, NH 4 OH, og natriumhydroxid, NaOH, indeholder begge en hydroxid-ion, OH. Den kan optage netop en hydrogen-ion fra en syre. Herved bliver hydroxid-ionen til et vandmolekyle. Reaktionen skrives: H+ + OH H O. Dvs. en base er et stof, der kan optage en hydrogen-ion. Kopiark 7. Indikatorer påvisning af syre eller base En opløsning med en syre kaldes en sur opløsning, mens en opløsning med en base kaldes en basisk opløsning. Man kan påvise, om en opløsning indeholder en syre eller en base, dvs. om opløsningen er sur eller basisk. Det gøres med indikatorpapir, der er papir, der har været dyppet i en indikator. En indikator er et stof, der ændrer sin farve alt efter om den er i en sur eller en basisk opløsning. En meget kendt indikator er lakmus. Det er et planteudtræk med den egenskab, at det bliver rødt i en sur opløsning og blåt i en basisk opløsning. Kopiark 7.3, 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, 7. og 7.9 En base kan optage hydrogen-ioner. OH -ionen findes i mange baser. Stærke syrer er svovlsyre, saltsyre og salpetersyre. Lakmus Fotoet viser en sur og en basisk opløsning, der har fået tilsat et par dråber af indikatoren lakmus. Den sure opløsning bliver farvet rød; den basiske blå. 136

137 SYRER OG BASER Et springvand af base EKSPERIMENT En spiseskefuld af ammoniumchlorid, NH 4 Cl, og en spiseskefuld af calciumhydroxid, Ca(OH), rystes godt sammen i en konisk kolbe. Byg den viste opstilling, og opvarm forsigtigt kolben. Ved opvarmning vil de to stoffer reagere med hinanden og danne ammoniak, NH 3, der stiger op i den øverste, rundbundede kolbe. Når det vurderes, at der er meget ammoniak i kolben, sættes en prop i kolben. Gennem proppen er der et langt tilspidset glasrør og en lille pipette med en gummibold, der er fyldt med vand. Glasrøret holdes ned i en stor glasskål fyldt med vand. I vandet er der nogle dråber af indikatoren phenolphthalein. Gummibolden trykkes sammen, så der kommer noget vand ind i kolben. Det starter reaktionen. Vandet stiger op i glasrøret, og sprøjter med stor kraft ind i kolben. Når vandet kommer ind i kolben, bliver det rødt. Vandet suges op i kolben, fordi luftarten ammoniak, der er letopløselig i vand, opløses i vandet fra gummibolden. Herved opstår der et kraftigt undertryk i kolben, så vandet fra skålen suges op. Når ammoniakken opløses i vandet, dannes basen ammoniakvand. Vandet farves rødt, fordi indikatoren phenolphthalein er rød i en basisk opløsning. 137

138 SYRER OG BASER Svovl Luft Fremstilling af svovlsyre SO O SO O Dannelse af svovldioxid Kongevand Katalysator Dannelse af svovltrioxid Svovlsyre SO 3 SO 3 H SO4 Vand De fleste metaller danner hydrogen, når de reagerer med syre. Dog ikke de ædle metaller, guld, platin og sølv. De kan dog opløses i kongevand. Det er navnet på en blanding af koncentreret salpetersyre og saltsyre. Kongevand kan opløse metallernes konge, guld. Syrer, ph og neutralisation Der bruges meget store mængder af de uorganiske syrer, for den kemiske industri er en af verdens største. Det tænker vi ikke meget over i Danmark, for vi har ikke en stor kemisk industri. Vi importerer det meste. Andre store industrier, som bilfabrikker og elektronikvirksomheder, bruger mange kemiske produkter. Svovlsyre Svovlsyre, H SO 4, er det kemikalie, der fremstilles mest af i verden. Det meste bruges til at fremstille kunstgødning. Det bruges også til fremstilling af vaskemidler og til fremstilling af det hvide farvestof, titandioxid, TiO, i hvid maling. Akkumulatoren i en bil er fyldt med koncentreret svovlsyre. Akkumulatoren fungerer som et stort batteri, der leverer den elektriske strøm, der skal starte bilen. Svovlsyre fremstilles af grundstofferne svovl, S, oxygen, O, og vand. Svovl er et gult stof, som nogle steder i verden kan hentes op fra undergrunden. Man får dog også meget svovl fra råolie. Svovlet fjernes, inden man omdanner olien til benzin. Når man brænder svovl, bliver det til luftarten svovldioxid: S + O SO. Svovldioxid kan reagere videre med oxygen og danne det faste stof svovltrioxid, SO 3. Ved opløsning i vand bliver det til svovlsyre: H O + SO 3 H SO 4. Koncentreret svovlsyre er en klar væske, der består af 9 % H SO 4 og kun % vand. Syrer og metaller I 1766 hældte englænderen Henry Cavendish noget svovlsyre over et stykke jern. Det brusede, og der blev dannet en luftart. Det var grundstoffet hydrogen, der hermed blev opdaget. Da hydrogen er så let en luftart, fandt man hurtigt ud, at det kunne bruges til at få en ballon op at flyve. Kort efter opdagelsen af hydrogen blev de første balloner fyldt med hydrogen sendt op i Paris. Det tog fire dage at fylde de første balloner med hydrogen. Kopiark

139 SYRER OG BASER Saltsyre Saltsyre fremstilles ud fra grundstoffet chlor, Cl. Man starter fremstillingen af saltsyre med saltvand. Det er vand med opløst NaCl. Ved at sende elektrisk strøm gennem saltvandet frigives grundstoffet chlor. Chlor har en karakteristisk lugt, der kendes fra mange svømmehaller. Det er en giftig og ætsende gul-grøn luftart med et to-atomigt molekyle, Cl. Det lader man reagere med luftarten hydrogen, H, så der dannes en ny luftart, hydrogenchlorid, HCl. Den opløses nemt i vand. Den vandige opløsning af hydrogenchlorid kaldes saltsyre. Det kemiske symbol for saltsyre skrives ofte bare som HCl, men man skal huske, at saltsyre er en opløsning af luftarten HCl i vand. Luftarten HCl hedder hydrogenchlorid, mens hydrogenchlorid opløst i vand hedder saltsyre. ph Indikatoren lakmus kan kun fortælle, om en opløsning er sur eller basisk, dvs. om den indeholder en syre eller en base. Hvis man vil vide, hvor meget syre eller base der er i vandet, bruger man den såkaldte ph-skala. Den går fra 0 til 14. Helt rent vand har en ph-værdi på 7. I sure opløsninger er ph-værdien mindre end 7. I basiske opløsninger er ph større end 7. En sur opløsning indeholder mange hydrogen-ioner, H+, og jo lavere ph-værdien er, jo flere hydrogen-ioner er der i opløsningen. I basiske opløsninger er der mange hydroxidioner, OH, og jo højere ph-værdien er, jo flere hydroxidioner er der i opløsningen. I to opløsninger med en forskel på én ph, fx ph = 3 og 4, er der i opløsningen med ph = 3 netop 10 gange så mange H+-ioner, som i opløsningen med ph = 4. Hver gang ph-værdien falder en enhed, er der ti gange så mange H+-ioner. ph-skalaen giver altså et mål for mængden af hydrogenioner og hydroxid-ioner. Ved ph lig 7 er der lige mange hydrogen-ioner og hydroxid-ioner. Derfor er vand neutralt. Stærke syrer har ofte en lav ph-værdi, selv i fortyndede opløsninger. Svage syrer har sjældent lav ph-værdi, med mindre de er koncentrerede. En sur opløsning med lille ph-værdi indeholder mange hydrogen-ioner. ph-værdien er højere i opløsninger med færre hydrogen-ioner. I en basisk opløsning med høj ph- Fremstilling af saltsyre Saltsyre Luftarten hydrogenchlorid Luftarten chlor Saltvand ph s fader Der tilsættes vand Der tilføres hydrogen, og hydrogen reagerer med chlor Der sendes strøm gennem vandet (elektrolyse) Søren P.L. Sørensen, dansk professor i kemi ( ). Sørensen har opfundet ph-skalaen, som alle kemikere bruger. Ude i verden kaldes Søren P.L. Sørensen for ph s fader. 139

140 SYRER OG BASER ph-skala Stærkt sur Svagt sur Neutral Svagt basisk Stærkt basisk H Cl + + H O Na + + OH værdi er ikke ret mange hydrogen-ioner, men der er mange hydroxid-ioner. En opløsnings ph-værdi kan måles med et ph-meter. Når man sætter føleren ned i opløsningen, kan man direkte aflæse ph-værdien. På hospitaler bruges et ph-meter til at måle ph-værdien i blod. ph-værdien skal ligge tæt på 7,4. ph-værdier kan også vises med indikatorpapir. Papiret får forskellig farve afhængig af ph-værdien af opløsningen, som dryppes ned på papiret. Den slags indikatorpapir kaldes en universal-indikator. Kopiark 7.11 og 7.1 Cl Neutralisation + Na + Tegningen viser, hvad der sker, når saltsyre neutraliseres med natriumhydroxid Nyttige oplysninger ph-skalaen går fra 0 til 14. Rent vand har en ph-værdi på 7. Sure opløsninger har ph mellem 0 og 7. Basiske opløsninger har ph mellem 7 og 14. En syre kan neutraliseres med en base Neutralisation Syrer og baser reagerer med hinanden. Hvis man langsomt hælder en base i en syre, vil ph stige. Når ph når op på 7, har basen neutraliseret syren. Opløsningen er blevet neutral. Når en syre og en base blandes, vil hydrogen-ionerne, H+, fra syren reagere med hydroxid-ionerne, OH, fra basen. Det bliver til vand. Reaktionen skrives: H+ + OH H O. Ved neutralisationen forsvinder både syre- og base-egenskaberne. Når man neutraliserer saltsyre, HCl, med basen natriumhydroxid, NaOH, sker følgende reaktion: HCl + NaOH H O + NaCl. Der dannes vand og natriumchlorid, der er opløst i vandet. Dvs. ved reaktionen mellem saltsyre og natriumhydroxid dannes almindeligt, uskadeligt saltvand. Hvis man har for meget mavesyre, kan man spise piller med en base, som fx natron, NaHCO 3, eller aluminiumhydroxid, Al(OH) 3. Kopiark 7.13, 7.14 og

141 SYRER OG BASER Natrium et farligt stof EKSPERIMENT En bred glasskål fyldes med vand til 1 centimeters højde. Lidt phenolpthalein og en dråbe sulfo hældes i. Skålen sættes på en overheadprojektor, der fokuseres, så vandoverfladen står skarpt på skærmen. En beskyttelsesskærm sættes tæt på skålen, og eleverne flyttes ned bagest i klassen. Et stykke natrium tages op med en pincet og lægges på et tørt filtrerpapir. Et stykke natrium på størrelse med en halv ært skæres af. Oxidlaget skæres af. Det rene stykke natrium tages med pincetten, og ved at banke pincetten mod kanten af skålen kastes stykket ned på vandoverfladen. Natriumstykket flyder på vandet, for natrium er lettere end vand. Man ser, hvordan natriumstykket straks bevæger sig rundt på vandoverfladen. Der opstår så meget varme, at natriumstykket smelter. Det er altså en dråbe flydende natrium, der bevæger sig hen over vandet. Der, hvor natriumstykket har været, kommer der en rød streg i vandet. Måske dannes der en flamme ved natriumstykket. Når alt natrium har reageret, dyppes et stykke indikatorpapir i vandet. Farven på papiret viser, at vandet er blevet basisk. Den kemiske reaktion kan skrives: Na + H O H + NaOH Ved reaktionen dannes basen natriumhydroxid, NaOH, der gør vandet basisk. Den røde streg i vandet kommer fra phenolphthalein, der er en indikator. Den er farveløs i en neutral opløsning, men rød i en basisk. Ved reaktionen mellem vand og natrium dannes også hydrogen. Det skubber natriumstykket rundt, og hvis der dannes en flamme, er det hydrogen, der brænder. 141

142 SYRER OG BASER Ammoniak-katalysatorens virkemåde Ved fremstilling af ammoniak, NH 3, reagerer N med H. Nitrogen-molekyle Katalysator Molekyler af nitrogen og hydrogen rammer overfladen af katalysatoren. Katalysator Bindingerne i molekylerne brydes, og atomerne hænger fast på overfladen af katalysatoren. Katalysator Hydrogenmolekyler Hydrogenatomer Nitrogenatom Ammoniakmolekyle Nitrogen-atomer og hydrogen-atomer bindes sammen og danner ammoniak. Katalysator Ammoniak-molekylerne løsrives fra overfladen af katalysatoren. Katalysatorer og enzymer Kemiske reaktioner kan foregå hurtigt, som fx en eksplosion. Her er reaktionshastigheden stor. Reaktionshastigheden kan være meget lille, som fx når jern ruster. På fabrikker, der fremstiller kemiske stoffer, vil man gerne have, at reaktionshastigheden ikke er for lille, for ellers kan produktionen ikke betale sig. Man kan øge reaktionshastigheden med katalysatorer og enzymer. Fremstilling af ammoniak Ammoniak, NH 3, fremstilles ved, at man leder luftarterne nitrogen, N, og hydrogen, H, hen over en katalysator med findelt jern. Det danske firma Haldor Topsøe A/S leverer katalysatorer til omkring halvdelen af alle ammoniakfabrikker i verden. Kopiark 7.16 Katalysatorer En katalysator er et stof, som tilsættes de stoffer, der skal reagere med hinanden. Katalysatoren får reaktionen til at ske på en anden, hurtigere måde, men katalysatoren bliver ikke forbrugt ved reaktionen. Bagefter er mængden af katalysatoren den samme. Der findes mange forskellige katalysatorer, for en katalysator kan virke ved en reaktion, men ikke ved en anden. Ofte kan man ved at bruge en katalysator få en reaktion til at gå lige så hurtigt, som hvis man havde varmet stofferne op. Herved sparer man mange penge, for opvarmning er dyr. Brug af katalysatorer gør derfor produkterne billigere for forbrugerne. Når man bruger en katalysator, kan man ofte fremstille stoffer ved en lavere temperatur. Det gør produktionen mere sikker. Der sker ikke så let ulykker, brand og eksplosioner. Det er ofte metaller, der bruges som katalysator, men man kan også bruge syrer. Ved fremstilling af kunstige duftstoffer går reaktionen hurtigere, hvis man hælder noget syre i blandingen. Duftstofferne kan lugte af fx æbler, ananas og bananer. Kopiark

143 SYRER OG BASER Enzymer Enzymer findes i levende organismer, og de virker ved bestemte biologiske reaktioner. Selv om enzymer findes i levende organismer, så er enzymer ikke levende, som fx bakterier og gærceller. Et enzym fungerer ligesom en katalysator, for enzymet øger reaktionshastigheden. Enzymer fungerer bedst i et lille temperaturområde, og de ødelægges, hvis temperaturen bliver for høj eller for lav. Samtidig fungerer hvert enzym bedst ved en bestemt ph-værdi. Menneskekroppen fungerer ved hjælp af enzymer. Når man tygger på et stykke brød, smager det af brød, men hvis man beholder brødet i munden et stykke tid, smager brødet sødt. Brødet indeholder stivelse, og det skal nedbrydes til sukker, for at kroppen kan fordøje det. Denne nedbrydning sker allerede i mundhulen, for spyttet indeholder et enzym, der hedder amylase. Det virker som katalysator ved omdannelsen af stivelse til sukker. Hydrogenperoxid Hydrogenperoxid, H O, er en klar væske. Den er ustabil og omdannes til vand og oxygen. Hydrogenperoxid sælges ofte under det gamle navn brintoverilte. En 3 % opløsning af hydrogenperoxid sælges som Oxydol. I hydrogenperoxidmolekylet er atomerne bundet sammen i rækkefølgen H-O-O-H. Ved hjælp af en katalysator eller et enzym spaltes hydrogenperoxid let til vand og oxygen. Reaktionen skrives: ph-værdier i kroppen Spyt, ph omkring 7 Mavesaft, ph = 1- Tyndtarmssaft, ph = -9 Spiserør Lever Mave Tyktarm Tyndarm H O H O + O Når oxygen dannes på denne måde, er det meget reaktivt og angriber mange stoffer. Hvis man har fået et lille sår eller en blist i munden, kan man ved at skylle munden med hydrogenperoxid få slået bakterier i såret eller blisten ihjel, for amylasen i spyttet er et enzym, der spalter hydrogenperoxid. Det dannede oxygen angriber og ødelægger overfladen af bakterierne. Det angriber også vores mundhule, men vi kan godt tåle at miste nogle celler, da vi er meget større end bakterierne. Kopiark 7.1 Enzymer i vaskepulver Næsten alle vaskemidler til tøjvask indeholder enzymer. De skal nedbryde pletter af madrester, fedt, blod og snavs. 143

144 SYRER OG BASER Hydrogenperoxid Tre reagensglas fyldes halvt med en 3 % hydrogenperoxid-opløsning. I det ene glas hældes lidt smuldret tørgær. I det andet lidt af en rå kartoffel. I det tredje lidt af en kogt kartoffel. I de to første glas ses en tydelig gasudvikling. Ved at sætte en glødende træpind ned i glassene kan man vise, at det er oxygen, der dannes. I det tredje glas sker der ikke noget. EKSPERIMENT Tørgær og kartofler indeholder enzymet katalase, der spalter hydrogenperoxid. I den kogte kartoffel er enzymet ødelagt, fordi temperaturen ved kogningen har været for høj for enzymet. Det er blevet ødelagt. Nyttige oplysninger En katalysator er et stof, som får en reaktion til at gå hurtigere. Katalysatoren bliver ikke forbrugt ved reaktionen. Enzymer dannes i levende organismer. Enzymer fungerer som en katalysator. Hydrogenperoxid, H O, kan frigive oxygen. Hvis man vil se ud som en filmstjerne, skal tænderne være helt hvide. De kan få misfarvninger af te, kaffe og cigaretter, men det kan fjernes med hydrogenperoxid. Det omdanner farvestofferne. Blegningen skal imidlertid ske under sagkyndig vejledning hos en tandlæge, for hydrogenperoxid er ætsende ved høje koncentrationer. Når man hos damefrisøren vil have afbleget håret, bruger man en koncentreret opløsning af hydrogenperoxid. Hvide striber i mørkt hår laves også ved affarvning med hydrogenperoxid. 144

145 SYRER OG BASER Farlige stoffer Når man arbejder med kemikalier, skal man være klar over, at nogle stoffer er helt uskadelige, mens andre er farlige for os. Da ingen kan forventes at kende alle kemiske stoffer, har man besluttet, at beholdere med farlige stoffer skal være mærket med advarsler på etiketten. Faresymboler Mærkning af farlige stoffer En etiket på en beholder med et farligt stof, som en syre eller en base, skal give brugeren information om, hvordan stoffet er farligt. Disse informationer eller advarsler kan deles op i tre trin. Første advarsel på et farligt stof er et orangefarvet faresymbol. Herved kan man med det samme se, på hvilken måde stoffet i beholderen er farligt. Man kan fx se, om stoffet er brandfarligt, giftigt, skadeligt for miljøet eller om det ætser huden, som farlige syrer gør. Fx viser en masse flammer, at stoffet nemt bryder i brand. Der er brandfare. Et dødningehoved viser, at stoffet er giftigt. Tx Meget giftig T Giftig Xn Sundhedsskadelig Farebetegnelse Anden advarsel er en farebetegnelse. Det er en tekst eller nogle bogstaver, som står under faresymbolet. Teksten giver en yderligere beskrivelse af stoffets farlighed, for et faresymbol kan have flere betydninger. Under faresymbolet for brandfare kan der fx stå Meget brandfarlig eller Yderst brandfarlig. De tilsvarende forkortelser er F og Fx. Bogstavet F står for det engelske ord flammable, der betyder brandfarlig. Fx betyder extra flammable. En flaske med sprit skal være mærket Meget brandfarlig, mens en beholder med lightergas skal være mærket Yderst brandfarlig. C Xi E Ætsende Fx Lokalirriterende F Eksplosiv O R- og S-sætninger Den tredje advarsel eller oplysning er de såkaldte R- og S-sætninger, som skal stå på etiketten på beholderen. R står for risiko, og S for sikkerhed. Disse sætninger skal læses inden man bruger stoffet, for sætningerne fortæller nøjere om risikoen ved brug af stoffet, og hvordan man på en sikker måde kan håndtere stoffet. Fx kan der her stå, at stoffet ikke må komme i nærheden af åben ild, og at man skal bære beskyttelsesbriller. Kopiark 7.19 Yderst brandfarlig N Miljøfarlig Meget brandfarlig Brandnærende 145

146 SYRER OG BASER Koncentreret svovlsyre et meget farligt stof Ca. 10 ml koncentreret svovlsyre hældes i et 50 ml måleglas. Læg et stykke filtrerpapir på en glasplade. Dyp en træpind i svovlsyren, og læg den på glaspladen ved siden af filtrerpapiret. Hæld en dråbe koncentreret svovlsyre ned på filtrerpapiret. Hæld flormelis op til 50 ml-stregen i et højt, smalt 50 ml bægerglas. Hæld resten af svovlsyren ud over sukkeret. Efter kort tid ser man, hvordan sukkeret bliver helt sort og vokser op af glasset. EKSPERIMENT Sukkeret og papiret bliver hurtigt brun/sort. Det ser ud, som om det er blevet brændt. Den koncentrerede svovlsyre er stærkt vandsugende. Den trækker vand ud af organiske stoffers molekyler. Når vandet er trukket ud, er resten mest carbon. Det er et sort stof. Ved reaktionen dannes så meget varme, at vandet fordamper. Dampen fylder mere end vandet, og det får sukkermassen til at hæve. H O vand Fortynding af syrer Ved fortynding af koncentrerede syrer eller baser skal man altid hælde syren eller basen ned i rigeligt vand. Man må aldrig hælde vand ned i syren eller basen. Koncentrerede syrer og baser En koncentreret syre indeholder så meget syre, som der kan opløses i vand. I fx koncentreret saltsyre er næsten halvdelen af syren stoffet, HCl, mens resten er vand. Saltsyre fremstilles ved at opløse luftarten HCl i vand, men det er ikke muligt at opløse mere HCl i koncentreret saltsyre. Hvis man forsøger, vil luftarten HCl boble op af saltsyren igen. De stærke syrer er i koncentreret form meget farlige, og selv de fortyndede syrer er ætsende. De skal behandles på den rigtige måde, for at man ikke kommer til skade. Det gælder ikke de organiske syrer. I fortyndet tilstand er de uskadelige. Koncentreret eddikesyre indeholder ca. 30 % eddikesyre; resten er vand. Koncentreret eddikesyre er mærket med faresymbolet ætsende. Eddike til madlavning er en fortyndet eddikesyre med omkring 5 % eddikesyre. Den er helt ufarlig og skal ikke have noget faresymbol. I skolen må eleverne ikke arbejde med koncentrerede syrer og baser, men lærerne må godt. Læreren må fortynde de koncentrerede syrer og baser. Det skal gøres på den rigtige måde, ellers er det meget farligt. 146

147 SYRER OG BASER Fortynding af syrer og baser Man må aldrig hælde vand i koncentrerede syrer. Der opstår så megen varme ved fortyndingen, at temperaturen stiger til over 100 C. Herved vil vandet koge. Det omdannes til damp, der fylder meget mere end vandet, og den koncentrerede syre eller base vil med stor kraft blive sprøjtet op af beholderen. Ved i stedet at hælde den koncentrerede syre langsomt ned i en større mængde vand, kan man holde temperaturen under 100 C, så der ingen kogning sker. Hvis man hælder vand ned i fortyndede syrer eller baser, opstår der ikke kogning. Men det er alligevel klogt at huske, at det altid er sikkert at hælde en syre i vand, aldrig vand i en syre. På et senere tidspunkt efter skolen kan man komme i en situation, hvor man skal fortynde en koncentreret syre, så er det godt, at man husker, at man aldrig må komme vand i en syre. Uheld med syrer og baser Hvis man alligevel får syre eller base på fingrene i skolens kemilokale, skal man ikke blive forskrækket, for her bruges kun fortyndede syrer og baser. Man går stille og roligt hen til vandhanen og skyller fingrene i et stykke tid. Ved at skylle med vand mindskes koncentrationen af det ætsende stof. Kopiark 7.0 Gasflasker med hydrogen Når der skal bruges hydrogen i større mængder, får man det leveret i kraftige stålbeholdere, der kaldes gasflasker. Gasflasker med det brandfarlige hydrogen skal have rød maling på flasken, for at man kan skelne dem fra gasflasker med andre luftarter. For at der kan være mest muligt hydrogen i flasken, presser man så meget hydrogen ind, at trykket er helt oppe på 00 gange atmosfæretrykket. På grund af det høje tryk sidder der en reduktionsventil på gasflasken. Den sørger for, at når man åbner hanen for at aftappe noget hydrogen, så kommer hydrogen ud med et meget lavere tryk. Reduktionsventilen reducerer trykket. Åbner man for hanen uden at reducere trykket, kan stålbeholderen flyve af sted som en raket. Ved hjælp af reduktionsventilen kan man få et tryk, der kun er lidt over den atmosfæriske lufts tryk. Så siver hydrogen stille og roligt ud af flasken. Metallet natrium er et farligt stof På etiketten af en beholder, der indeholder natrium, skal være følgende mærkning. To faresymboler: brandfarlig og ætsende. En farebetegnelse under hvert af faresymbolerne: F og C. For natrium er der følgende R-sætninger og S-sætninger: R14 Reagerer voldsomt med vand R15 Reagerer med vand under dannelse af yderst brandfarlige gasser R34 Ætsningsfare S1 Opbevares under lås S Opbevares utilgængeligt for børn S5 Opbevares under petroleum S Emballagen skal opbevares tørt S43 Brug tørt sand ved brandslukning. Brug ikke vand. S45 Ved ulykkestilfælde eller ved ildebefindende er omgående lægebehandling nødvendig; vis etiketten, hvis det er muligt. Nyttige oplysninger Et farligt stof skal altid være mærket med et faresymbol. R-sætninger fortæller, hvilke risici (farer) der er ved at bruge det farlige stof. S-sætninger fortæller, hvordan man sikkert skal omgås det farlige stof. Ved fortynding skal man altid hælde syren eller basen ned i vand. Aldrig vand i syren eller basen. Koncentreret svovlsyre er specielt farligt, fordi syren også er vandsugende. Gasflasker med hydrogen er mærket med rød farve på grund af brandfaren. 147

148 SYRE I MAVEN CAFE KOSMOS Der er ofte bakterier i maden. For at beskytte os er kroppen indrettet, så bakterierne i maden straks kommer i et syrebad, der dræber alle bakterierne. Der sker i maven. I maven er der omkring en liter mavesaft. Den indeholder en fortyndet saltsyre med en meget lav ph-værdi på 0,9-. Vi kan tåle at have saltsyre i maven, for slimhinden på indersiden af mavesækken beskytter os mod syren. Man kan smage den sure mavesaft, når man kaster op. Man mærker den også, når man har sure opstød. Det får man ofte, når maven producerer for meget mavesaft. Maven producerer mere saltsyre, hvis man er stresset, får for meget kaffe eller alkohol og for fed eller krydret mad. REFLUX Øverst i mavesækken ved den nederste ende af spiserøret sidder en lukkemuskel. Den åbnes, når vi spiser, og skal ellers være lukket. Hvis den svigter, kan den ætsende mavesyre flyde op i spiserøret. Det kalder lægerne reflux. Det gør ondt. Alle babyer oplever det, når de gylper, og det sker tit, for lukkemusklen fungerer dårligt hos babyer. Mange voksne, mindst hver tiende, får med alderen reflux. Det kan give betændelse i spiserøret, der kan udvikle sig til spiserørskræft. 14 LAMMEGRIBBENS OG KROKODILLENS MAVESYRE Lammegribben har et vingefang på op til, m. Den lever i bjergområder, hvor den yngler i 1- kilometers højde. Den kan ses i Alperne og Pyrenæerne, men den er også blevet observeret flere gange i Danmark. Lammegribbens mavesyre indeholder så meget saltsyre, at den kan opløse et jernsøm på nogle få timer. Det kan menneskets mavesyre ikke. Krokodillernes mavesaft er lige så sur, som lammegribbens. Det er nødvendigt, for krokodillen og lammegribben spiser kød og knogler uden at tygge dem. Knoglerne opløses af den kraftige saltsyre. DRONTEN En dronte er en fugl. På engelsk hedder den dodo. Dronten uddøde for omkring 50 år siden, men den er berømt i dag. Måske fordi den så underlig ud, men også fordi drontens historie er trist, fyldt med menneskets uforstand og brutalitet. Dronten er den første dyreart, som mennesket udryddede.

149 CAFE KOSMOS Frugterne fra træerne havde en tyk, hård skal, og man har tidligere ment, at kernen af frugten kun kunne spire, hvis frugterne var blevet spist af dronterne, for de levede af frugt, bær og planter. Deres mavesaft skulle have været så stærk, at den kunne nedbryde skallen på frugten. Når frøene derefter kom ud af tarmsystemet, kunne de spire. Ingen andre dyr på øen havde en så kraftig mavesyre, så udryddelsen af dronterne medførte en ændring af bevoksningen på øen. Udstoppet dronte. Drontens historie fortæller os, at der i naturen er sammenhænge, som er vigtige, og hvis vi ændrer på forhold i naturen, kan der opstå konsekvenser, som vi ikke havde forudset. Først mere end 00 år efter at dronten var uddød, opdagede man, hvor vigtig den var. Dronten levede på den lille ø Mauritius øst for den store ø Madagaskar ud for Afrikas østkyst. Dronten var større end en svane, men den kunne ikke svømme, og den kunne ikke flyve. Dronten havde levet på øen i mere end to tusind år. Den havde ingen naturlige fjender, så dronten havde ikke lært at frygte og flygte fra mennesker, og den var så langsom, at den var let at fange. katte og grise, men også rotter og aber. Dyrene angreb dronterne og spiste deres æg og unger. Efterhånden blev de alle spist. I 1973 opdagede man, at en bestemt træart på Mauritius var ved at uddø. Der var nogle hundrede store træer tilbage, og disse træer var formentlig mere end 300 år gamle. Dette tidspunkt faldt sammen med udryddelsen af dronten. Ikke alle forskere er enige om årsagen til de manglende træer, men det har vist sig, at hvis man tvangsfodrede kalkuner med træets frugter, kunne de spire efter at være kommet ud af kalkunernes fordøjelsessystem. Træarten var reddet. Drontens historie viser, at der er sammenhænge i naturen, som vi ikke kender. Selv dyr, som vi kun oplever som skadedyr, har måske en vigtig funktion for andre levende væsener. Dronten er således blevet et symbol på den skade, mennesket kan gøre på miljøet. Dronten blev opdaget af portugisiske søfolk, der landede på Mauritius i Øen var ubeboet indtil 163, hvor hollandske nybyggerne medbragte dyr, som aldrig havde været på øen før. Det var hunde, Drontens kranium, som er opbevaret på Zoologisk Museum i København. 149

150 DET VED DU NU OM SYRER OG BASER SYRER OG BASER SYRER, ph OG NEUTRALISATION Svovlsyre, H SO 4, er det kemikalie, der fremstilles mest af i verden. De fleste metaller danner hydrogen, når de reagerer med syre. Saltsyre, HCl, fremstilles ved at opløse luftarten hydrogenchlorid, HCl, i vand. ph-skalaen går fra En sur opløsning har en phværdi mellem 0 og 7. En basisk opløsning mellem 7 og 14. Rent vand har en ph-værdi på 7. Man kan neutralisere en syre ved at hælde base i den. Når ph når op på 7, er syren neutraliseret. Når en syre og en base blandes, vil hydrogen-ionerne, H+, fra syren reagere med hydroxidionerne, OH, fra basen. Det bliver til vand. KATALYSATORER OG ENZYMER En katalysator får en reaktion til at gå hurtigere, uden at katalysatoren bliver forbrugt. Organiske syrer findes i planter og dyr. Uorganiske syrer er fremstillet af mineraler. Svovlsyre, H SO 4, saltsyre, HCl, og salpetersyre, HNO 3, er stærke syrer. Basen ammoniakvand indeholder ammoniak, NH 3, opløst i vand. Basen natriumhydroxid har formlen NaOH. Alle syrer indeholder hydrogen, der kan fraspaltes som en hydrogen-ion, H+. De fleste baser indeholder en hydroxid-ion, OH. I en sur opløsning er der mange hydrogen-ioner, H+. I en basisk opløsning er der mange hydroxid-ioner, OH. På etiketten af et farligt stof skal der være et orangefarvet faresymbol. Det viser, om stoffet er fx brandfarligt, giftigt, skadeligt for miljøet, eller om det er ætsende. R- og S-sætninger på etiketten fortæller om risikoen ved brug af stoffet, og hvordan man skal håndtere stoffet sikkert. Ved fortynding af koncentrerede syrer eller baser skal man 150 FARLIGE STOFFER Et enzym øger reaktionshastigheden i biologiske reaktioner. Næsten alle vaskemidler til tøjvask indeholder enzymer. Hydrogenperoxid, H O, spaltes let til vand og oxygen. altid hælde syren eller basen ned i vand. Hvis man får noget syre eller base på huden, skal man skylle det væk med vand.

151 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? Hvad indeholder syrer, der gør dem sure? Hvilken ion findes i de fleste baser? Hvad er formlen for svovlsyre og saltsyre? Hvilken ph-værdi har helt rent vand? Hvad er en indikator? Hvordan smager baser? Hvilken farve har indikatoren lakmus i en sur opløsning? FORSTÅR DU? Hvorfor dannes der vand, når en syre reagerer med en base? Hvad er forskellen på hydrogenchlorid og saltsyre? Hvad er forskellen på en sur og en basisk opløsning? Hvad er formålet med R- og S-sætninger på etiketter på beholdere med farlige stoffer? Hvis man har fået syre på huden, hvorfor er det så ikke en god ide at neutralisere syren ved at hælde noget base på huden. Hvis man drypper lidt citronsaft i te, bliver teen lysere. Hvad kan forklaringen være? Undersøg, hvilke syrer og baser der er hjemme hos dig. Hvorfor må man under ingen omstændigheder hælde rester af syrer eller baser på flasker, der bruges til drikkevarer? Planlæg et forsøg, der viser, hvorfor man ikke kan neutralisere saltsyre med sukkervand. UDFORDRING 151

152 Global

153 miljøkemi FOSSILE BRÆNDSTOFFER OG BIOGAS CARBON-KREDSLØBET LUFTFORURENING OG OZONLAGET DRIVHUSEFFEKT OG KLIMAÆNDRINGER CAFE KOSMOS: GRAFITTI PÅ HIMLEN Der er næsten 900 millioner biler i verden. Hvis man satte dem i en række, ville den kunne nå rundt om Jorden ca. 70 gange. Bilerne bruger meget brændstof, og behovet vil endda stige, for der vil komme endnu flere biler. I vækstlande som Kina og Indien vil flere få råd til at købe en bil. Det kan føre til højere benzinpriser, for der er begrænsninger på, hvor meget olie der findes. Prisen er ikke det eneste problem, for ved afbrænding af brændstof dannes der CO. Det store udslip af CO til atmosfæren er en medvirkende årsag til den globale opvarmning. Det vil medføre klimaændringer, der kan betyde voldsomme ændringer af livsvilkårene for mange mennesker også i Danmark. Hvorfra kommer naturgassen i Danmark? Hvad bruger man solcreme til? I medierne hører vi tit om drivhuseffekten. Hvad er det? Bliver klimaet i Danmark og resten af verden varmere? 153

154 GLOBAL MILJØKEMI Fossile brændstoffer og biogas Kul, olie og naturgas er fossile brændstoffer. Ordet fossil betyder udgravet, dvs. noget, der kan graves op af jorden. Over 90 % af verdens energi bliver produceret ved afbrænding af fossile brændstoffer. Der bruges derfor store mængder af kul, olie og naturgas. Så selvom der i jorden er store mængder, vil de på et tidspunkt slippe op, og det vil resultere i, at vi vil miste 90 % er verdens energi. Det er derfor nødvendigt at finde nye energiformer. Kulmine i Rusland Havvand Ikke-porøs sten Gas Olie Vand Ikke-porøs sten Olie og gas i jorden Olie og gas findes altid under et tæt lag af sten. Det gør, at olien og gassen ikke kan sive op gennem jorden. I et lag af en porøs sten findes naturgassen øverst. Under den findes olien, og nederst vand, for vand er tungere end olie. Fossile brændstoffer For millioner år siden var næsten hele Jorden dækket af hav. Når dyr og planter i havet døde, sank de til bunds, og efter millioner af år blev der opbygget tykke lag af dyre- og planterester. De er senere blevet dækket af ler, sten og sand, så de lå tørt og varmt og under stort tryk. Herved blev molekylerne i dyre- og planteresterne langsomt omdannet til olie og naturgas. Kul er dannet lidt på samme måde, men kul stammer fra planter, der har groet på landjorden. Kul må man grave op af jorden. Mange steder i verden er der store kulminer, hvorfra der hentes enorme mængder af kul op. Kullene bliver brugt til opvarmning og ved fremstilling af elektricitet. Olie og naturgas Olien og gassen ligger ikke i store huller eller søer nede i jorden. Olien og gassen findes i porøse sten, dvs. sten, der er fyldt med små huller. Sandsten og kalksten har netop mange små huller, og her kan man finde olie og naturgas. Da olien ligger langt nede i jorden, er der et stort tryk fra alle stenene ovenover. Derfor er trykket på naturgassen også meget stort. Når man borer et hul ned til olien, vil det enorme tryk fra naturgassen presse olien gennem de porøse stenlag hen til borehullet, hvor olien vil stige op gennem borerøret. Efterhånden som olien hentes op, vil trykket falde, så man i gennemsnit kun får ca. 60 % af olien op. Kopiark.1 154

155 GLOBAL MILJØKEMI Olie og naturgas i Danmark I undergrunden under Nordsøen mellem Danmark og England/Skotland er der olie og naturgas. Der udvindes så meget olie og gas i Nordsøen, at Danmark i mange år har kunnet sælge noget af den til udlandet. Omkring 1 % af olien bruges til fremstilling af benzin, mens 70 % bliver til fyringsolie, der bruges til opvarmning, og dieselolie, der bruges til alle lastbiler og nogle personbiler. Resten af olien bruges til fremstilling af råvarer til industrien, plastprodukter og andre kemiske produkter. Naturgassen sendes i rørledninger ind til Jylland og videre ud over hele Danmark. Gassen anvendes i industrien, til boligopvarmning og til produktion af el og varme i små og store kraftvarmeværker. Næsten halvdelen af befolkningen får dækket deres energiforbrug af naturgas. Naturgassen fra Nordsøen dækker en fjerdedel af det danske energiforbrug. Herudover er der en betydelig eksport af naturgas til Sverige og Tyskland. Man regner med, at vi kan udvinde olie i Nordsøen i omkring 15 år endnu. Naturgassen vil række til 1-0 år. Naturgas lugter ikke, og derfor tilsætter man et stof, der lugter af rådne æg. Det er nemlig vigtigt hurtigt at opdage et udslip af naturgas, for naturgas er brændbar, og den kan eksplodere. Naturgas kan dog ikke brænde eller eksplodere, hvis der ikke er oxygen til stede. Naturgas indeholder flere forskellige stoffer, men der er over 90 % af luftarten methan, CH 4. Det er den brændbare gas i naturgas. Den kemiske reaktion for forbrænding eller eksplosion af methan skrives som: Natbillede af boreplatform i Nordsøen. Forsyningsskibet ankommer. CH 4 + O CO + H O Kopiark. og.3 Biogas Biogas opstår overalt i naturen. Gassen opstår ved forrådnelse af døde planter og døde dyr. Biogas består af mest methan, CH 4, og lidt mindre CO. Det er nogle mikroorganismer, som fx bakterier, der omdanner det organiske stof til biogas, men der dannes kun biogas, hvor luftens oxygen ikke kan komme til. 155

156 GLOBAL MILJØKEMI Naturgas kan eksplodere Forsøget viser, hvor meget naturgas der skal være i luften, før naturgassen eksploderer. Et tændt fyrfadslys sættes ned i en 5 L tom plasticbøtte, fx til maling. En tom urinpose fyldes helt med naturgas fra gashanen. Enden af slangen sættes ned på bunden af malerbøtten, og låget lægges løst oven på bøtten. EKSPERIMENT Nu presses gassen stille og roligt ud af posen ned i bøtten. På et tidspunkt eksploderer gassen, og låget ryger op i luften. Ved at kende malerbøttens rumfang, og vurdere mængden af naturgas der blev presset ud af urinposen, kan man bestemme, hvor mange procent naturgas der var i luften ved eksplosionen. Nede i bunden af moser, søer og sumpe kan der dannes sumpgas. Det er bare et andet navn for biogas. Hvis man stikker en pind ned i bunden af en sump, kommer der af og til bobler op til overfladen. Luften i boblerne kan brænde, for de indeholder methan. Biogasanlæg I biogasanlæg samler man madrester, urin og afføring fra køer, svin og mennesker. Blandingen af urin og afføring kaldes gylle. Den pumpes ind i nogle store, lufttætte beholdere, der opvarmes til C. Man sørger for, at gyllen har en bestemt ph-værdi. Herved får bakterierne den temperatur og surhedsgrad, hvor de hurtigst producerer biogas. Den dannede biogas stiger til vejrs og kan opsamles. Den kan man nu bruge på samme måde som naturgas. Her starter produktionen af biogas. Fordele ved biogas Der er kun begrænsede mængder af olie, naturgas og kul i jorden. Olien og naturgassen er formentlig brugt op inden for de 156

157 GLOBAL MILJØKEMI næste 50 år, men der er kul nok til flere hundrede år. Da der bliver mindre af olie og naturgas, må man finde andre energikilder. Her kan man bruge biogas som erstatning for fossile brændstoffer. Når biogassen er fjernet fra gyllen, kan man bruge resten som gødning, og den er meget bedre end den ubehandlede gylle, som landmændene ellers spreder på markerne som gødning. I Danmark har vi i 00 tyve store biogasanlæg og mange flere små. Hvert år behandler de tilsammen over en million ton husdyrgødning og næsten en halv million ton organisk affald fra husholdningsaffald, fra industrier som slagterier og fra de kommunale rensningsanlæg. Halvanden million ton lyder af meget, men det er kun 5 % af gyllen, der bruges til biogas. Hvis vi i Danmark udnyttede alt det organiske affald, der produceres, ville vi få så meget biogas, at det ville dække 14 % af Danmarks elproduktion og 19 % af fjernvarmen. Biogassen kan således være med til begrænse vores forbrug af fossile brændstoffer. I 007 startede verdens største biogasanlæg i Foulum i Jylland. Den danske fødevareminister sagde ved indvielsen: Ambitionen er, at det nye biogasanlæg skal bidrage til at bringe Danmark i det globale førerfelt inden for udnyttelsen af energi og næringsstoffer i husdyrgødning og andre former for biomasse. Nyttige oplysninger Fossile brændstoffer er kul, olie og naturgas. Naturgas indeholder mest af det brændbare stof methan, CH 4. Rådnende organiske stoffer, der ikke er i kontakt med oxygen, danner biogas. Biogas indeholder mest af methan, CH 4. Gylle er en blanding af urin og afføring. Et kraftvarmeværk producerer både elektricitet og fjernvarme. 157

158 GLOBAL MILJØKEMI Der graves enorme mængder af kul. Det brændes, og herved dannes der carbondioxid. Denne reaktion er en del af det store carbon-kredsløb, der i medierne ofte kaldes kulstof-kredsløbet. Carbon-kredsløbet Vand deltager i et kredsløb, hvor vand skifter tilstandsform til is og vanddamp. Vandet i søer og have fordamper hele tiden. Vanddampen bliver til skyer på himlen. Når det regner, kommer vandet tilbage til jorden. Mange grundstoffer kan også deltage i et kredsløb. Det er dog anderledes end vands kredsløb. Ofte starter et grundstof med at være i en kemisk forbindelse, hvorefter det så flyttes til en anden, en tredje og flere andre kemiske forbindelser for til sidst igen at ende i den kemiske forbindelse, hvor det startede. Atomer af grundstoffet carbon deltager i et sådant kredsløb. Carbon-kredsløbet Grundstoffet carbon (kulstof) findes i mange forskellige kemiske forbindelser. I luften findes carbon som carbondioxid, CO. Ligeledes er der i havene opløst store mængder af carbondioxid. I jorden findes carbon i forskellige sten som kalksten og marmor. De har formlen CaCO 3. I alle levende væsner, menneskene, dyr og planter, findes carbon. De fossile 15

159 GLOBAL MILJØKEMI brændstoffer, olie, kul og naturgas, indeholder også carbon. Carbon-atomerne er ikke for altid bundet i et bestemt stof. Et enkelt carbon-atom kan flyttes fra et stof til et andet. Det sker i et evigt kredsløb, der kaldes carbon-kredsløbet. CO fjernes ved fotosyntese Carbondioxid, CO, fjernes fra luften ved fotosyntesen i planterne. De optager CO fra luften, og ved hjælp af sollyset omdannes luftens CO til oxygen, O, som frigives til luften. Carbon-atomet fra CO ender i sukkerstoffet glukose, der har den kemiske formel: C 6 H 1 O 6. Ved fotosyntesen fjernes CO fra luften, mens planterne vokser sig større. Reaktionen for fotosyntesen kan skrives: sollys + 6 H O + 6 CO C 6 H 1 O O Halvdelen af fotosyntesen foregår i verdenshavene ved hjælp af plankton. Den anden halvdel sker på landjorden ved hjælp af træer, græs og andre planter. Kopiark.4 CO optages i vand Vanddråber i luften optager CO fra luften. Når CO opløses i vand, dannes den svage syre kulsyre, H CO 3. Man kunne tro, at ph i regnvand er 7, og at regnvand derfor er neutralt. Men på grund af indholdet af CO i luften er regnvand lidt surt. ph-værdien af regnvand er altid mindre end 5,6. Der er opløst store mængder CO i verdenshavene. I havene i kolde områder, fx ved Grønland og ud for Norges kyst, har overfladevandet større densitet end vandet længere nede. Derfor vil overfladevandet synke ned til større dybder, og vandet vil tage det opløste CO med sig. Det bruges af dyr i vandet til at opbygge deres skeletter og skaller. Når dyrene dør, ender skeletterne og skallerne på bunden af havet. Gennem millioner af år kan der dannes tykke lag, hvor skallerne presses sammen til kalksten. Ved senere foldninger af jordskorpen kan disse lag komme op over havoverfladen som bjerge af kalksten. Under næsten hele Danmark ligger der et tykt kalkstenslag, der er dannet på denne måde. Kopiark.5 og.6 Man kan se, at verdens koralrev er ved at dø. De bliver mindre. Man ved ikke, hvad det skyldes. Måske er det fordi, der i de sidste hundrede år er kommet mere CO i luften. Det har gjort havet mere surt, så kalken i koralrevene går i opløsning. Muslingeskaller indeholder kalk i form af calciumcarbonat, CaCO 3. Farverne kommer fra forskellige andre stoffer, ofte forbindelser med jern. 159

160 GLOBAL MILJØKEMI Fotosyntese Carbonkredsløb Nyttige oplysninger Carbon-kredsløbet beskriver, hvordan carbon-atomer kan flyttes fra et stof til et andet. Det sker i et evigt kredsløb. Fotosyntesen i planterne omdanner ved hjælp af sollys luftens carbondioxid til oxygen. Carbon-atomet fra CO ender i sukkerstoffet glukose. Reaktionen for fotosyntesen kan skrives: sollys + 6 H O + 6 CO C 6 H 1 O O Regnvand er ikke neutralt. På grund af indholdet af CO i luften er ph-værdien af helt ren regn 5,6. Forskellige kilder der frigiver CO Kul, olie, benzin og naturgas indeholder alle carbon. Når de brænder, dannes der CO. Forbrændingen af kul kan skrives som: C + O CO Den største del af naturgas er methan, der har formlen CH 4. Forbrændingen af methan kan skrives som: CH 4 + O CO + H O Ved skovbrande frigives der også CO. Når dyr og mennesker spiser planter og anden føde, nedbrydes stofferne i føden. De stoffer, der indeholder carbon, ned- 160

161 GLOBAL MILJØKEMI EKSPERIMENT Benzin brænder I en konisk kolbe med bred hals hældes lidt mættet kalkvand eller CO -indikator. Der hældes lidt heptan på en forbrændingsske. Heptanen antændes, og forbrændingsskeen føres ned i kolben. Når benzinen er brændt, tages skeen op. Der sættes en prop i kolben, der rystes. Hvis der er brugt mættet kalkvand, dannes der bundfald. Hvis der er brugt CO -indikator, vil den skifte farve fra rød til gul. Det viser, at der er dannet CO ved forbrændingen. Formlen for heptan er C 7 H 16. Ved forbrændingen dannes der CO. Reaktionen kan skrives: C 7 H O 7 CO + H O brydes til CO, der udåndes. For sukkerstoffet glukose kan reaktionen skrives som: C 6 H 1 O O 6 CO + 6 H O + energi Når dyr og planter dør, nedbrydes de også. Det sker ved, at bakterier og andre mikroorganismer nedbryder større molekyler til mindre, så der dannes CO. Nogle vulkaner kan udsende CO. Hvis lavaen ved et udbrud strømmer op gennem et lag af kalksten, vil lavaens høje temperatur spalte kalkstenen, der bl.a. omdannes til CO. Herved kan der sendes enorme mængder af CO op i luften. Den 1. maj 190 eksploderede vulkanen Mount St. Helens i USA. Det blev det største vulkanudbrud i USA s historie. Under udbruddet udsendte vulkanen hver dag enorme mængder CO. Den mængde CO, som verdens vulkaner udsender, svarer til ca. 3 % af den mængde, der frigives ved afbrænding af fossile brændstoffer. 161

162 GLOBAL MILJØKEMI Luftforurening og ozon Ozon er en luftart. Den er ekstrem farlig, men den er også livsnødvendig. Ved jordoverfladen vil vi helst være fri for den, men højt oppe i atmosfæren beskytter den livet på Jorden. Ozon stopper nemlig Solens farlige ultraviolette stråling. Ozon Efter et kraftigt tordenvejr kan man lugte ozon. Det dannes, når lynet slår ned. Man kan også lugte ozon ved el-kontakter, der tændes og slukkes. Ozon er en luftart med en stikkende lugt. Navnet ozon kommer fra græsk, hvor ozein betyder at lugte. Det er skadeligt at indånde ozon i større mængder, for ozon er et meget reaktivt molekyle; næsten alle stoffer vil reagere med det. På sin vej gennem luften rammer lynet en masse oxygenmolekyler, der spaltes i oxygen-atomer. Når disse atomer støder ind i et oxygenmolekyle, vil der dannes et ozonmolekyle. Molekylet har formlen O 3. Det er opbygget af tre oxygen-atomer. Når lynet slår ned, spaltes luftmolekyler i lynets bane. Når oxygenmolekylerne spaltes, kan de samles igen til den farlige luftart ozon. Reaktionerne for dannelse af ozon kan skrives således: lyn + et oxygenmolekyle to oxygen-atomer Et oxygen-atom + et oxygenmolekyle et ozonmolekyle Skrevet med formler ser reaktionerne således ud: lyn + O O O + O O 3 O Oxygen O 3 Ozon Det livsnødvendige oxygen, har formlen O. Det farlige ozon har formlen O 3. De giftige NO X -er Når et lyn brager gennem luften, bliver temperaturen omkring lynets bane så høj, at alle luftmolekylerne kan splittes ad i atomer. Det gælder også nitrogen. De frie nitrogen-atomer kan reagere med oxygen-atomerne, så der dannes kemiske forbindelser mellem nitrogen og oxygen. Det er fx nitrogen-oxid, NO, og nitrogen-dioxid, NO. Disse stoffer er meget giftige. De kaldes NO X -er. X-et står for antallet af oxygen-atomer i molekylet. Stofferne skrives af og til som NOX. Denne spaltning af luftmolekyler sker også andre steder, hvor temperaturen er meget høj. I benzin- og dieselmotorer 16

163 GLOBAL MILJØKEMI trækkes der luft ind til forbrændingen, hvor luftens oxygen skal bruges. Ved den høje temperatur under forbrændingen spaltes nitrogen-atomerne, så der dannes nitrogen-oxider. De sendes ud i luften med udstødningsgassen. På samme måde dannes der nitrogen-oxider ved alle forbrændinger. Selv når man hygger sig med tændte stearinlys, dannes de giftige nitrogen-oxider. Kopiark.7 Ozonlaget 60 km 50 Ozon ved jordoverfladen Ozon dannes også, når sollys rammer forurening i luften, især NO X -er. Lyset slår NO X -molekylet i stykker, så der frigives et oxygen-atom. Det kan bindes til et oxygenmolekyle, så der dannes ozon. Reaktionen kan skrives, når NO X -molekylet er NO : NO + O NO + O 3 Hvor der kører mange biler, dannes der meget NO X, og dermed også meget ozon. Derfor er der mere ozon i luften i byerne end ude på landet. På en sommerdag med meget sollys og vindstille stiger mængden af ozon i byerne. I Danmark er vi ikke så hårdt ramt af ozon, men i det sydlige Europa, hvor sollyset er meget kraftigere, kan man opleve, at øjnene klør, og det river i næsen. Mængden af ozon i luften er to- til tredoblet i de sidste hundrede år. Det skyldes forurening fra menneskene. Kopiark.,.9 og.10 Ozonlaget Ozon ved jordoverfladen er forurening, men det er det ikke højt oppe i atmosfæren. I 10 til 50 kilometers højde findes ozon som en del atmosfæren. Her ligger ozonlaget. Ozon i ozonlaget dannes af sollyset. Når Solens ultraviolette stråling rammer et oxygenmolekyle, spaltes det i to oxygen-atomer. De frie oxygen-atomer vil, når de rammer et oxygenmolekyle, reagere med dette og danne et ozonmolekyle. Således er det Solens stråling, der hele tiden danner ozonmolekyler i ozonlaget Stratosfære (15-50 km) Ozonlag (10-50 km) Troposfære (Op til 15 km) Lange flyvninger Meteorologisk luftballon Flyvning over længere strækninger foregår ofte i 10 til 15 kilometers højde. Under flyvningen tages der frisk luft ind i kabinen fra luften uden for flyet. Men ozonen i luften vil få passagererne til at hoste og give dem smerter i brystet. Derfor lader man luften passere filtre, der spalter ozonmolekylerne til oxygen. Skrevet med formler ser reaktionerne således ud: Ultraviolet stråling + O O og: O + O O 3 163

164 GLOBAL MILJØKEMI Ozonlaget beskytter os Faktisk er der ikke ret meget ozon i ozonlaget. Der er kun et ozonmolekyle pr.,5 millioner luftmolekyler. Hvis man kunne samle alt ozon og flytte det ned til Jordens overflade, ville dette ozonlag kun være 3 millimeter tykt. Men selv om der ikke er meget ozon, så er det ozonlaget, der beskytter alle levende væsner på Jorden mod den del af Solens stråling, som er ekstra farlig. Man kan sige, at ozonlaget er jordens solbrille. Den farligste del af Solens ultraviolette stråling opfanges af ozonlaget. Når et ozonmolekyle rammes af ultraviolet stråling, opfanges strålingen af ozonmolekylet, der spaltes, så der dannes et oxygenmolekyle og et frit oxygen-atom: Ultraviolet stråling + et ozonmolekyle et oxygenmolekyle + et frit oxygen-atom Skrevet med formler ser det sådan ud: Ultraviolet stråling + O 3 O + O Solcreme Når UV-indekset er højt, skal man undgå sollyset i middagstimerne. Man kan beskytte sig med solcreme. Den kan indeholde det faste stof titandioxid, der stopper al solstråling, eller et kemisk stof, der kun stopper den farlige ultraviolette stråling. Ozonlaget stopper stort set al farlig stråling. Et væsen, der ikke kunne se det almindelige lys, som vi kan, men kun den farlige ultraviolette stråling, ville ved at kigge op i himlen midt på dagen, kun se mørk nat. Nedbrydning af ozonlaget For ca. halvtreds år siden lykkedes det at fremstille nogle helt nye stoffer, de såkaldte CFC-gasser. Det er nogle kemiske stoffer, der indeholder grundstofferne Carbon, Fluor og Chlor. CFC-gasserne viste sig at have nogle fremragende egenskaber. De var meget modstandsdygtige over for andre stoffer. Derfor kunne man blande dem med alle andre stoffer, uden at de reagerede med disse. Ikke engang oxygen reagerede de med, for stofferne kunne ikke brænde. De blev derfor bl.a. brugt som kølemiddel i køleskabe og som drivmiddel i spraydåser. Først mange år senere opdagede man, at gasserne er så holdbare, at når de kommer ud i atmosfæren, bliver de der i årevis. Før eller siden når de helt op til ozonlaget, og her er et stof, ozon, der er så reaktivt, at det kan spalte CFC-gasserne. Problemet er så, at ozonmolekylerne i ozonlaget forsvinder. Det er så uheldigt, at et enkelt CFC-molekyle kan spalte i titusindvis af ozonmolekyler. 164

165 GLOBAL MILJØKEMI EKSPERIMENT Ozon og nitrogendioxid Den viste opstilling bygges. En stor kolbe spændes fast og anbringes over to bukkede stålstænger, der er sat fast i isolerende polstænger. Afstanden mellem den nederste del af stålstængerne skal være ca. en centimeter. Den øverste del af stængerne må ikke røre glasset i kolben. Der tændes for stikkontakten. Den ene polstang skubbes hen mod den anden, til der springer en gnist. Ved derefter at trække polstangen lidt tilbage, dannes der en lysbue, som klatrer op mellem stålstængerne. Efter et stykke tid kan man se en rødbrun luftart i kolben. Der slukkes for stikkontakten og ledningerne fjernes. Ved at lugte forsigtigt til kolbens munding kan man lugte en blanding af ozon, O 3, og nitrogendioxid, NO, der er den rødbrune luftart. De dannes på grund af den høje temperatur i gnisterne. Ved den høje temperatur kan oxygen- og nitrogenmolekyler i luften spaltes, så der kan dannes ozon og nitrogendioxid. Hul i ozonlaget Det har vist sig, at der er forsvundet så mange ozonmolekyler, at Solens farlige ultraviolette stråling kan slippe gennem ozonlaget og nå helt ned til Jordens overflade. Man siger, at ozonlaget er blevet tyndere, eller at der er hul i ozonlaget. Et tyndere ozonlag giver mere ultraviolet stråling på Jordens overflade. Mange flere mennesker vil få hudkræft og dø af det mennesker dør hvert år af hudkræft. Problemet er størst på den sydlige halvkugle, hvor ozonlaget er tyndest. Der vil komme flere øjensygdomme og vores immunsystem vil forringes, så vi oftere bliver syge. For dyrene vil det gå på samme måde. Ligeledes vil planterne tage skade af strålingen. Man regner med, at høstudbyttet i Danmark er faldet med 10 % på grund af det højere ozonindhold i luften, for ozon skader planternes celler. Nyttige oplysninger Ozon har formlen O 3. NO X -er er et fællesnavn for mange giftige kemiske forbindelser mellem nitrogen og oxygen. X-et står for antallet af oxygen-atomer i molekylet. Ozonlaget ligger i atmosfæren i 10 til 50 kilometers højde. Den farlige ultraviolette stråling fra Solen mindskes af ozonlaget. Hul i ozonlaget er et udtryk for, at ozonlaget et bestemt sted på Jorden er blevet tyndere. CFC-gasserne nedbryder ozonlaget. 165

166 GLOBAL MILJØKEMI Drivhuseffekt og klimaændringer Drivhuseffekten er et emne, der diskuteres meget i medierne. Hvad er drivhuseffekten, og hvad kan man gøre for at mindske drivhuseffekten? Betyder den voksende udledning af carbondioxid, CO, at den globale opvarmning vil ødelægge Jordens klima? Carbondioxid er et affaldsprodukt Det meste carbondioxid, CO, dannes ved afbrænding af de fossile brændstoffer, naturgas, olie og kul. Man kan med moderne anlæg få mere nyttig energi ud af forbrændingen, men man kan ikke hindre dannelsen af carbondioxid. På verdensplan dannes der 36 milliarder ton om året. Alt dette ender i atmosfæren. I de sidste hundrede år er der kommet flere og flere mennesker på Jorden, og der er kommet mere og mere industri. Det kræver mere opvarmning, og derfor er CO -indholdet i luften steget så meget, at det er højere, end det har været i mere end den sidste halve million år. Der produceres så store mængder af CO, at planterne ikke kan nå at optage det ved fotosyntesen. Mængden af CO i luften er nu højere, end den har været den sidste halve million år, og den stiger stadig. Er det en vigtig årsag til den globale opvarmning? CO -neutrale brændstoffer 0,0400 % CO indholdet i luften målt i procent 0,0350 0, Årstal CO - neutrale brændstoffer er ikke fossile brændstoffer. Biogas er et såkaldt CO -neutralt brændstof. Det betyder, at der ved afbrænding udledes samme mængde CO, som der ville komme, hvis biomassen fik lov til at blive omdannet i naturen. 166

167 GLOBAL MILJØKEMI Drivhuseffekten Det er Solens stråler, der opvarmer Jorden. Men Jorden udsender også stråling. Om natten udsender den varme jordoverflade usynlig varmestråling, infrarød stråling, ud mod rummet. Heldigvis er der mange stoffer i atmosfæren, der opfanger denne stråling. Ellers ville strålingen forsvinde ud i verdensrummet, og Jordens natside ville blive voldsomt afkølet. Nu ender jordoverfladens varmestråling i atmosfæren, som kan opvarme jordoverfladen. Denne opvarmning af Jorden kaldes drivhuseffekten, fordi opvarmningen foregår på samme måde som i en gartners drivhus. Glasset i et drivhus lader Solens lys og varmestråling komme ind til planterne, men den varmestråling, som planterne og jorden derefter udsender, kan ikke komme ud gennem glasset. Og så stiger temperaturen i drivhuset. De luftarter, der opfanger Jordens varmestråling er vanddamp, carbondioxid, ozon og methan. De kaldes drivhusgasser. Vanddamp i atmosfæren bidrager mest til drivhuseffekten. Derefter kommer CO, der bidrager med omkring 0 %. Hvis vi ikke havde drivhusgasserne i atmosfæren, ville vi få nogle voldsomme temperaturskift fra dag til nat, og temperaturen på Jorden ville være ca. 30 grader lavere. Der dannes ikke kun drivhusgasser ved afbrænding af fossile brændstoffer. Der er enorme arealer, hvor der dyrkes ris, og rismarker skal være oversvømmet. Derfor dannes der meget biogas på bunden af rismarkerne, og herved kommer der meget methan op i atmosfæren. Når dyr og mennesker prutter, kommer der også meget metan, og da der er mange køer, grise, får og geder, kommer der meget store mængder methan herfra. Kopiark.11 og.1 Vanddamp og skyer I en ørken kan luften være meget tør; den indeholder kun lidt vanddamp. Andre steder i verden kan der være megen vanddamp i luften. Indholdet af vanddamp i luften betegnes som luftfugtigheden. Fx kan der i en liter luft ved 0 C være 1,7 g vanddamp. Ved så stor en luftfugtighed siger man, at luften er mættet med vanddamp. Luftfugtigheden er 100 %. I en liter luft mættet med vanddamp vejer vanddampen mere end luften. De vigtigste drivhusgasser Vanddamp, H O Carbondioxid, CO Methan, CH 4 Ozon, O 3 Rismark i Kina. Herfra bobler der meget methan op i atmosfæren. 167

168 GLOBAL MILJØKEMI En sky i en flaske Forsøget ses bedst i et mørklagt lokale. Sæt et kort glasrør gennem en gummiprop. En gummislange på ca. 10 cm sættes på glasrøret. I en literflaske af klart glas hældes lunkent vand til en højde af ca. 1 cm. En prop uden hul sættes på flasken, og flasken rystes kraftigt. Proppen tages af og udskiftes med proppen med glasrør og gummislange. EKSPERIMENT Med munden suges der kraftigt i slangen for at få et undertryk i flasken, og med fingrene knækkes slangen og presses helt tæt sammen. En tændstik tændes og pustes ud, og den holdes straks hen under enden af slangen, der åbnes, så røgpartiklerne suges op i flasken. Nu pustes der af al kraft i slangen, så der kommer et overtryk i flasken, slangen klemmes sammen. En lommelygte tændes, så den lyser op i bunden af flasken. Efter et halvt minut åbnes slangen. I flasken ses, hvordan der dannes en sky. En sky består af meget små vanddråber. Røgpartiklerne var nødvendige, for vanddråber dannes bedst, når der er små partikler, fx sodpartikler, i luften. Vanddampen fortættes nemmest ved kontakt med et fast stof, en krystallisationskerne. Når luften er varmere, kan den optage mere vanddamp. Ude over havet fordamper vand fra overfladen, og luftfugtigheden øges. Når luften stiger til vejrs, afkøles luften, og den kan ikke længere indeholde så megen vanddamp. Vanddampen fortætter, og der dannes små vanddråber. De ses som skyer. Når vanddråber støder ind i hinanden, vokser de sig større og større, og før eller senere bliver de så store og tunge, at det begynder at regne. Kopiark.13 16

169 GLOBAL MILJØKEMI Jorden bliver varmere Drivhuseffekten har givet Jorden en behagelig temperatur, men de sidste tyve år har vist, at der er en klimaændring i gang. Jorden bliver varmere, og det vil medføre nogle meget uheldige konsekvenser. Ørknerne vil brede sig. Der vil komme flere naturkatastrofer med storme, oversvømmelser og tørke. Når isen rundt om på Jorden smelter, og når havvandet bliver varmere og udvider sig, så vil havene stige. I de sidste hundrede år er havet steget med 10-0 cm, og man forventer, at havet vil fortsætte med at stige. Herved vil store landområder blive oversvømmet og mange millioner mennesker må flytte. Klimaet i Danmark I disse år har vi i Danmark en varm periode. 006 blev det varmeste år, der er målt. Når det bliver varmere i Danmark, vil insekter fra sydligere egne kunne leve her. Det vil få katastrofale følger for vores landbrug og skovbrug. Fx er kastanjetræerne ved at blive fældet, fordi de er angrebet af kastanjeminermøllet, som for nylig er kommet til Danmark. Man forventer, at alle kastanjetræer i Danmark er døde i løbet af 10 år. Det samme har vi tidligere set ske for elmetræerne. Det kan også få konsekvenser for menneskene, for muligvis vil også malariamyggen kunne leve her. Begrænsning af CO -udslip Hvis man vil undgå en global temperaturstigning, må man mindske drivhuseffekten. Mængden af vanddamp i atmosfæren kan ikke begrænses, men det kan mængden af CO. Derfor prøver man at begrænse udledningen af CO, og man prøver at finde alternative energikilder, som fx vindkraft, bølgekraft og solenergi. På et møde i Japan i 1997 blev den såkaldte Kyoto-protokol vedtaget. Heri forpligtede de industrialiserede lande sig til at reducere deres udslip af drivhusgasser. Det har efterfølgende vist sig, at mange lande ikke kunne eller ville reducere deres forbrug af fossile brændstoffer. Man regner med, at flytrafikken bidrager med mere end to procent af den samlede CO -udledning. Men trafikkens bidrag til drivhuseffekten er dog mindst tre gange større, for vanddamp er den gas, der bidrager mest til drivhuseffekten. Væksten i flytrafikken får alvorlige konsekvenser for miljøet. Drivhuseffekten Nyttige oplysninger Uden drivhuseffekten ville temperaturen på Jorden være ca. 30 grader lavere. Drivhusgasser er luftarter, der absorberer varmestrålingen fra jordoverfladen. De vigtigste drivhusgasser er vanddamp, carbondioxid og methan. Vanddamp i atmosfæren bidrager mest til drivhuseffekten. Luftfugtigheden angiver, hvor stort indholdet af vanddamp er i luften. CO -neutrale brændstoffer er ikke-fossile brændstoffer. Biogas er et CO -neutralt brændstof. 169

170 CAFE KOSMOS GRAFFITI PÅ HIMLEN Hen over den blå himmel ses lange hvide streger. Af og til ser man, hvordan de dannes lige bag et fly, der bevæger sig højt oppe på himlen. Stregerne opstår ved fortætning af vanddamp i udstødningsgassen fra flyets jetmotorer. Stregerne kaldes kondensstriber. KONDENSSTRIBER Kondensstriber dannes kun i stor højde, men her i omkring 10 kilometers højde foregår de fleste flyveture over længere strækninger. I denne højde ligger temperaturen i området 30 til 60 C. I lavere højde dannes der ikke kondensstriber, for der er det ikke koldt nok. Den varme udstødningsgas fra jetmotorerne indeholder vanddamp, som hurtigt afkøles af den kolde, omgivende luft. Allerede lige bag flyet dannes der dråber eller iskrystaller af fortættet vanddamp. Dannelsen af vanddråberne foregår på samme måde, som når man en vinterdag ser, at udåndingsluften danner en hvid tåge. Et fly danner ikke altid kondensstriber. Nogle dage ser man fly højt på himlen, uden at der dannes striber. Hvis luftfugtigheden i luften omkring flyet er tilstrækkelig lav, vil de dannede iskrystaller hurtigt omdannes til vanddamp. De sublimerer. Hvis luftfugtigheden derimod er høj, vil kondensstriberne kunne blive hængende i timevis. De vil endda kunne blive tykkere og mere udbredte. Iskrystallerne vil vokse i størrelse, fordi de opsamler vandmolekyler fra luften. I løbet af et par timer kan striberne brede sig til et mange kilometer bredt dække, der faktisk er et lag af skyer. På denne måde vil skyerne efter et enkelt fly efterhånden kunne dække i tusindvis af kvadratkilometer. Kondensstriber er således skyer; den eneste forskel er, at kondensstriberne er menneskeskabte. Kondensstriber. Nogle helt nye og nogle, der er flere timer gamle. 170 Der ses flest kondensstriber om dagen og om aftenen. Om morge-

171 CAFE KOSMOS På en skyfri himmel vil Jordens infrarøde varmeudstråling kunne forsvinde ud i verdensrummet. Er der skyer, vil de opfange varmeudstrålingen og som en dyne holde på varmen. Jo flere skyer, jo højere bliver temperaturen på jordoverfladen. Det er det fænomen, der kaldes drivhuseffekten. ANTALLET AF SKYER VOKSER Rumfærgen Challenger opsendes d.. januar 196. Rumfærgen er fastgjort til den enorme tank, der indeholder hydrogen og oxygen. En højere temperatur vil medføre større fordampning fra havet, og med større luftfugtighed vil der dannes endnu flere skyer. Mængden af skyer på Jorden er steget med mere end tre procent på 10 år. Kondensstriberne er således en medvirkende årsag til den globale opvarmning. ANTAL SOLSKINSTIMER FALDER Temperaturen i luften omkring flyet er så lav, at kondensstriberne dannes lige bag motorerne. nen er de mere sjældne, for i løbet af natten er den foregående dags striber fordampet. Flytrafikken er mindre om natten og morgendagens flytrafik er ikke begyndt. vil der på partiklerne kunne kondenseres vanddråber eller iskrystaller til dannelse af nye skyer. De flere skyer har været årsag til, at man over hele verden har fået færre solskinstimer. Dette fænomen kaldes global formørkelse. I Europa er antallet af solskinstimer faldet med 16 % i løbet af de sidste 50 år. DRIVHUSEFFEKTEN Ved forbrænding af flybenzin i luften og andre fossile brændstoffer her på jordoverfladen dannes der masser af vanddamp og masser af carbondioxid, CO. Men der dannes også massevis af små partikler af bl.a. sod og rester af brændstof. Disse partikler fungerer som krystallisationskerner for dannelsen af vanddråber eller iskrystaller. For vanddamp fortættes lettest på en krystallisationskerne. Partiklerne kan hænge i atmosfæren i månedsvis, og hver gang luftfugtigheden stiger, Satellitfoto af nye og ældre kondensstriber over den Engelske Kanal mellem England og Frankrig. 171

172 DET VED DU NU OM GLOBAL MILJØKEMI FOSSILE BRÆNDSTOFFER OG BIOGAS DRIVHUSEFFEKT OG KLIMAÆNDRINGER CARBON-KREDSLØBET Carbon-kredsløbet beskriver, hvordan carbon-atomer kan flyttes fra et stof til et andet. Det sker i et evigt kredsløb. Ved hjælp af sollys kan planterne omdanne luftens carbondioxid til oxygen. Carbon-atomet fra CO ender i sukkerstoffet glukose. Processen kaldes fotosyntese. Reaktionen for fotosyntesen kan skrives: sollys + 6 H O + 6 CO C 6 H 1 O O. Regnvand er ikke neutralt. På grund af indholdet af CO i luften er ph-værdien af helt ren regn 5,6. De fossile brændstoffer er kul, olie og naturgas. Naturgas indeholder mest af det brændbare stof methan, CH 4. Biogas dannes af rådnende organiske stoffer, der ikke er i kontakt med oxygen. Biogas indeholder mest af methan, CH 4. LUFTFORURENING OG OZONLAGET Ozon har formlen O 3. NO X -er er et fællesnavn for mange giftige kemiske forbindelser mellem nitrogen og oxygen. X-et står for antallet af oxygen-atomer i molekylet. Ozonlaget ligger i atmosfæren i 10 til 50 kilometers højde. Ozonlaget stopper den farlige ultraviolette stråling fra Solen. Et hul i ozonlaget er et udtryk for, at ozonlaget et bestemt sted på Jorden er blevet tyndere. CFC-gasserne indeholder grundstofferne carbon, fluor og chlor. CFC-gasserne nedbryder ozonlaget. 17 Uden drivhuseffekten ville temperaturen på Jorden være ca. 30 grader lavere. Drivhusgasser er luftarter, der opfanger varmestrålingen fra jordoverfladen. De vigtigste drivhusgasser er vanddamp, carbondioxid og methan. Vanddamp er den vigtigste drivhusgas, for vanddamp bidrager mest til drivhuseffekten. Luftfugtigheden angiver, hvor stort indholdet af vanddamp er i luften. Biogas er et CO -neutralt brændstof. Det er ikke et fossilt brændstof.

173 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Nævn nogle fossile brændstoffer. Hvilket stof er der mest af i naturgas? Hvilken luftart omdanner planterne ved fotosyntese? Hvor findes ozonlaget? Ville temperaturen på Jorden være højere eller lavere uden drivhuseffekten? Hvorfor er biogas ikke et fossilt brændstof? Hvorfor er der ikke fotosyntese i planterne om natten? Hvorfor er ozonlaget vigtigt for livet på Jorden? Hvordan medvirker skyerne til drivhuseffekten? Hvad er et CO -neutralt brændstof? UDFORDRING Hvorfor er der ikke fossile brændstoffer nok? Hvordan kan du og din familie være med til at nedbringe CO -udslippet? Hvordan skal vi reagere, når der er et hul i ozonlaget over Danmark? Hvordan vil Danmark blive berørt, hvis vandstanden i havene stiger? 173

174 STIKORD A Alnico-magnet 31 Aluminium 114 Ammoniakfremstilling 14 Arbejde 5 Argon 103 Asteroide 13 Astrologi 9 B Baser 135 Beliggenhedsenergi 54 Bevægelsesenergi 53 Biobrændsel 63 Biogas 155 Biogasanlæg 156 Bladguld 116 Brintsamfundet 99 Brydning af lys 77 Brændværdi 60 Brønsted 136 Bølge 7 Bølgelængde 73 C Carbondioxid 96 Carbondioxidpåvisning 97 Carbon-kredsløbet 15 Cassiopeia 9 CO 96, 159, 169 D Dampmaskine 60, 61 Datalogging 44 Defibrillator 46 Definition på baser 136 Definition på syrer 136 Dopplereffekt 6 Drivhuseffekt 116,171 Drivhusgasser 167 Dværgplanet 1 Dødens dal 96 E Effekt 59 Ekliptika 10 Elektromagnet 3, 43, 45 Elektromagnetisk stråling 76 Elektromotor 3, 39 Ellipse 11 Endoskop 1 Energi 5 Energibevarelse 56 Enzymer 143 Evighedsmaskine 57 Exoplanet 15 F Faraday, Michael 3 Farebetegnelse 145 Farlige stoffer 145 Farver 7, Farvespektrum 7 Fiksstjerne 9 Flammefarver 13 Fordeling af grundstoffer 14 Fortyndede syrer 135 Fortynding 147 Fossile brændstoffer 63, 154 Fotosyntese 94, 159 Frekvens 7 Fremstilling af aluminium 15 Fremstilling af jern 15 Fremstilling af luftarter 95 Fuldmåne 1 G Galilei 54 Gasflasker 147 Genbrug af metaller 17 Generator 40 Geocentrisk system 15 Grafer 44 Guld 1 Gæring 9 H Halleys komet 14 Heliocentrisk system 15 Helium 10 hertz 7 Hjertestarter 46 Hydrogen 99 Hydrogenperoxid 143 Hydrogenpåvisning 101 Hydroxid-ionen Hærdning 117 Højrehåndsreglen 36 Højttaler 40 Hårdhed 11 I Ikke-metal-ioner 1 Ikke-metaller 11 Indfaldsvinkel 77 Indikatorer 136 Infrarødt lys Ioner 10 Isolering 5 J Jorden 10, 1 Jordmagnetisme 36 joule 5 Joule, James 55 Jupiter 1 Jævndøgn 17 K Karlsvognen 9 Katalysatorer 14 Kemisk binding 104 Kernekraft 64 kilowatt-time 60 Kinetisk energi 53 Klimaændringer 169 Knaldgas 100 Knaldluft 100 Komet 14 Koncentrerede baser 146 Koncentrerede syrer 135, 146 Koncentreret svovlsyre 146 Kondensstriber 170 Kopernikus, Nikolaus 15 Korrosion 16 Kraft 5 Krypton 103 kwh 60 Køleskab 6 L LED Legeringer 114 Letmetaller 113 Lillefingerreglen 3 Linse 79 Lodning 119 Luftforurening 16 Luftskibe 10 Lyd 7 Lydens fart 73 Lys 76 Lysdiode, 3 Lysets fart 6 Lysleder 1 Lysår 10 M Magnet 30 Magnetfelt 33 Magnetkort 41 Mars 1 Merkur 1 Metalegenskaber 11 Metaller 11, 14 Metallernes forekomst 14 Meteor 14 Meteorit 14 Miner 14 Misvisning 36 Molekylemodeller 104 Molekyler 103 Mælkevejen 9, 10 Mærkning 145 Måneformørkelse 0 Månen 16, 19 N Natrium 141 Naturgas 154 Naturlove 56 Neodym-magnet 31 Neon 103 Neptun 1 Nethinde 79 Neutralisation 140 newton 5 Nitrogen 93 Nordlys 34 Nordpol, magnetisk 30 Nordstjernen

175 NOx-er 16 Nymåne 1 O Olie 154 Organiske syrer 134 Orion 9 Oxygen 93 Oxygenkredsløbet 94 Oxygenpåvisning 94 Ozon 16 Ozonlaget 163 P Partiel måneformørkelse 0 Partiel solformørkelse 1 Permanent magnet 3 ph 139 Planet 1 Pluto 1 Polvending 37 Potentiel energi 54 Prisme 7 R Radon 103 Reaktionsskemaer 1 Reduktion 15 Reduktionsventil 147 Refleksbrik 7 Regnbue Ristning 15 R-sætninger 145 Rust 17 Rustfrit stål 114 Røntgenstråling S Saltsyre 139 Saturn 1 Småmagneter 31 Solcelle 57 Solen 1 Solfanger 57 Solformørkelse 0 Solhverv 17 Solplet 1, 13 Solsystemet 1 Spejling 77 Spole 37 S-sætninger 145 Stangmagnet 30 Stave 79 Stemmegaffel 44 Stjernebillede 9 Stjerner Stjerneskud 14 Strålingsenergi 57 Stærke syrer 134 Støbning 11 Stål 114 Svage syrer 134 Svejsning 119 Svovlsyre 13 Sydpol, magnetisk 30 Syre i maven 14 Sæbebobler 9 T Tabeller 43 Tappe 79 Tesla 3 Tidejord 3 Tidevand, 3 Tier-potenser 7 Tone 74 Total måneformørkelse 0 Total refleksion 0 Total solformørkelse 0 Trivialnavne 134 Trækfugle 33 Trækning 116 Tsunami 7 Tungmetaller 113 Tunguska-hændelsen 4 U Udfaldsvinkel 77 Udvinding af metal 15 Uheld 147 Ultralyd 5 Ultraviolet lys Uorganiske syrer 134 Uranus 1 Uædle metaller V Valsning 117 Vanddamp 167 Varme 57 Varmepumpe 6 Varmetransport 5 Vedvarende energi 6 Ventrikelflimren 46, 47 Venus 1 Verdens største insekt 106 Vindkraft 63 Voyager-rumskibene 14 W watt 60 Watt, James 60 X Xenon 103 Z Zenit Æ Ædelgasreglen 11 Ædelgasserne 10 Ædle metaller 113 Ø Øjet 79 Øret 74 Ørsted, Hans Christian 35 Ørsteds eksperiment 35 Ørsted-satellitten 4 Å Ånding 9 Årstider 16, 17

176 LITTERATUR FYSIK OG KEMI, GENERELT Fysik, Gyldendals minilex, Anders Smith og Henrik Smith. Gyldendal. Fysik/Kemi, Gyldendals små opslagsbøger, Helle Houkjær, Mari-Ann Skovlund Jensen, Lone Skafte Jespersen og Erik Bruun Olesen. Gyldendal. Håndbog i Kemiske fagtermer, Preben Hartmann-Petersen. Gyldendal. Tjek på fysik/kemi, Henning Henriksen. Gyldendal. Databog, fysik & kemi, Erik Strandgaard Andersen, Paul Jespergaard og Ove Grønbæk Østergaard. F & K forlaget. Spektrum, Fysik I og II, Carsten Claussen, Erik Both, Niels Hartling. Gyldendal. En kort historie om næsten alt, Bill Bryson. Gyldendal. SYRER OG BASER Kend Kemien 1, Henrik Parbo, Annette Nyvad og Kim Kusk Mortensen. Gyldendal. GLOBAL MILJØKEMI Publikationer fra DMI. Danmarks Meteorologiske Institut. Publikationer fra IPCC. Intergovernmental Panel on Climate Change. Olie et dansk råstof, Gunnar Cederberg. Gyldendal. Kulstoffets kredsløb, Peter Norrild og Leif Sønderberg Petersen. Gyldendal. SOL, MÅNE OG STJERNER Universets melodi, Henry Nørgaard, Kaare Lund Rasmussen og Niels Elbrønd Hansen. Gyldendal. Det kosmiske urværk, Verner Schilling. Munksgaard. Rejsen ud i rummet, Helle og Henrik Stub. Gyldendal. Universet, Michael J.D. Linden-Vørnle. Gyldendal MAGNETISME H.C. Ørsted og fornuften i naturen, Bjarne Kousholt. Polyteknisk Forlag. ENERGI Evig energi? -solceller, Ole Trinhammer. Fysikforlaget. Evig energi? -brændselsceller og brintsamfundet, Ole Trinhammer. Fysikforlaget. LYD OG LYS Optisk horisonter, DTU. Synet og høret, Helge Kastrup og Torben Lenskjær. Munksgaard. LUFT Bogen om grundstofferne, Henning Henriksen og Erik Pawlik. Gyldendal. METALLER OG IONER Bogen om grundstofferne, Henning Henriksen og Erik Pawlik. Gyldendal. Mød metallerne, Henning Henriksen. Gyldendal. 176

177 FOTOLISTE Omslag FOCI/SPL 07 Akira Fujii/DMI 0 Akira Fujii/DMI 10 ESO 1 Gyldendals billedbibliotek 14 Akira Fujii/DMI 15 FOCI 1 NASA 19 NASA 1 ESO 4 GB 5 Polfoto/Topham Picturepoint 5 NASA 6 ESO Foci/SPL 30 Søren Lundberg 31 Søren Lundberg 3 Søren Lundberg 3 Søren Lundberg 33 Scanpix/Biofoto/Lars Gejl 35 Foci/PRE 36 Søren Lundberg 40 Vestas 41 Søren Lundberg 4 Scanpix/Reuters 4 n. DMI 46 Polfoto/Martin Lehmann 47 Scanpix/Jens Nørgaard Larsen 50 Foci 53 Scanpix/Corbis 55 Scanpix/Corbis 56 Søren Frederiksen 5 Foci/SPL 59 ø. Foci/SSL 59 n. Gyldendals Billedbibliotek 61 ø. CDanmark 61 n. Polfoto/Peter H. Petersen 63 Scanpix/Bam/Jørgen Schytte 64 Scanpix/Nils Meilvang 65 Scanpix/Corbis 6 Polfoto/David Peevers 71 Scanpix/AFP 73 v. Foci/SPL 76 Foci/SPL 79 ø. Polfoto/Jens Dresling 79 n. FOCI/SPL 0 FOCI/SPL 1 Foci/PRE 3 Scanpix/BAM/Nana Bisp Büchert 4 Scanpix/Steffen Ortmann 6 Scanpix/BAM/Jan Djenner 7 Scanpix/Corbis 90 Foci/SPL 9 Scanpix 96 Scanpix/Corbis 9 Scanpix/corbis 99 ø. Foci/SPL 99 n. Søren Lundberg 100 Scanpix 10 Scanpix/Creative 103 Scanpix 104 Søren Lundberg 106 ø. Scanpix 106 n. Gyldendals Billedbibliotek 107 Gyldendals Billedbibliotek 110 Scanpix/Creative 11ø Scanpix 10n Foci/spl 109 Søren Lundberg 114 Scanpix/Corbis 116ø Scanpix 116n Scanpix 117 Scanpix 117 Søren Lundberg 11ø Foci/Spl 11n Scanpix 119 Scanpix 13 Søren Lundberg 17 Søren Lundberg 1 Scanpix/Creative 1 Nasa 19 ø. Scanpix/Corbis/Oliver Berg 19 n. Scanpix/Creative 13 Scanpix/Corbis/Charles O Rear 134 Søren Lundberg 135 Søren Lundberg 136 ø. Gyldendals Billedbibliotek 136 n. Søren Lundberg 139 Gyldendals Billedbibliotek 143 Søren Lundberg 145 Søren Lundberg 14 ø. Scanpix/Biofoto/Kaj Halberg 14 n. Polfoto 149 ø. Scanpix/Reuters 145 n. Territorium 15 Scanpix/BAM/Henrik Sørensen Foci/SPL 155 Foci/Spl 156 Scanpix/Bent K. Rasmussen 157 Krediteres Flemming Nielsen 15 Scanpix/Corbis/Alan Schein 159 ø. Scanpix/Dani-Jeske 159 n. Scanpix/Karsten Schnack 161 Foci/PRE 16 Scanpix/Biofoto/Sven Halling 164 Scanpix/Corbis/Michelle Pedone 166 Scanpix/Biofoto/Lars Havn Eriksen 167 Scanpix/Judith Betak 170 Foci 171 ø. Scanpix/Corbis 171 n. NASA

178 DET PERIODISKE SYSTEM 1 1 Hydrogen 1 H (Brint) Ts = 59 C T = 53 C k d = 0,04 g/l Hovedgrupper 1 Grundstofnavn Atomnummer Grundstofsymbol Smeltepunkt Kogepunkt Densitet Eksempel Uran 9 U = 1135 C T k = 4131 C d = 19,0 g/cm 3 Kun radioaktive atomer Antal elektroner i de forskellige skaller Luftart Væske Fast stof Kunstigt fremstillet Lithium 3 Li Ts = 11 C T k = 134 C 1 Beryllium 4 Be = 17 C T k = 471 C d = 0,53 g/cm 3 d = 1,5 g/cm 3 3 Natrium 11 Na = 97,7 C T k = 3 C 1 Magnesium 1 Mg = 650 C T k = 1090 C Undergrupper d = 0,97 g/cm 3 d = 1,74 g/cm 3 Perioder 4 Kalium 19 K = 63,4 C T k = 759 C 1 Calcium 0 Ca = 4 C T k = 144 C Scandium 1 Sc = 1541 C T k = 30 C 9 Titan Ti = 166 C T k = 37 C 10 Vanadium 3 V = 1910 C T k = 3407 C 11 Chrom 4 Cr = 1907 C T k = 671 C 13 1 Mangan 5 Mn = 146 C T k = 061 C 13 Jern 6 Fe = 1540 C T k = 760 C 14 Cobalt 7 Co = 1495 C T k = 97 C 15 d = 0,6 g/cm 3 d = 1,54 g/cm 3 d =,99 g/cm 3 d = 4,51 g/cm 3 d = 6,1 g/cm 3 d = 7,19 g/cm 3 d = 7,44 g/cm 3 d = 7,7 g/cm 3 d =,5 g/cm 3 5 Rubidium 37 Rb = 3,9 C T k = 6 C 1 1 Strontium 3 Sr = 777 C T k = 13 C 1 Yttrium 39 Y = 156 C T k = 3336 C 1 9 Zirconium 40 Zr = 155 C T k = 4409 C 1 10 Niobium 41 Nb = 477 C T k = 4744 C Molybden 4 Mo = 63 C T k = 4639 C Technetium 43 Tc = 157 C T k = 477 C 1 13 Ruthenium 44 Ru = 310 C T k = 4150 C Rhodium 45 Rh = 1964 C T k = 3695 C d = 1,53 g/cm 3 d =,54 g/cm 3 d = 4,47 g/cm 3 d = 6,51 g/cm 3 d =,57 g/cm 3 d = 10, g/cm 3 d = 11,5 g/cm 3 d = 1,4 g/cm 3 d = 1,4 g/cm 3 6 Caesium 55 Cs =,4 C T k = 671 C d = 1,90 g/cm Barium 56 Ba = 77 C T k = 1640 C d = 3,59 g/cm Hafnium 7 Hf = 33 C T k = 4603 C d = 13,3 g/cm Tantal 73 Ta = 3017 C T k = 545 C d = 16,7 g/cm Wolfram 74 W = 34 C T k = 5555 C d = 19,3 g/cm Rhenium 75 Re = 316 C T k = 5596 C d = 1,0 g/cm Osmium 76 Os = 3033 C T k = 501 C d =,5 g/cm Iridium 77 Ir = 446 C T k = 44 C d =,55 g/cm Francium 7 Fr = 7 C T k = 677 C Radium Ra = 700 C T k = 1140 C d = 5,0 g/cm Rutherfordium 104 Rf Dubnium 105 Db Seaborgium 106 Sg Bohrium 107 Bh Hassium 10 Hs Meitnerium 109 Mt Lanthanoiderne Lanthan 57 La = 90 C T k = 3455 C d = 6,17 g/cm Cerium 5 Ce = 799 C T k = 344 C d = 6,7 g/cm Praseodym 59 Pr = 931 C T k = 3510 C d = 6,7 g/cm 3 Neodym 1 60 Nd 1 = 1016 C T k = 3066 C d = 7,00 g/cm 3 1 Promethium 61 Pm = 104 C T k = 3000 C d = 7,3 g/cm 3 Samarium 1 6 Sm 3 = 107 C T k = 1790 C d = 7,54 g/cm Actinoiderne Actinium 9 Ac = 1051 C T k = 300 C d = 10,1 g/cm Thorium 90 Th = 1750 C T k = 470 C d = 11,7 g/cm Protactinium 91 Pa = 157 C T k = 4000 C d = 15,4 g/cm 3 Uran 1 9 U 3 = 1135 C 0 T 9 k = 4131 C d = 19,0 g/cm Neptunium 93 Np = 640 C T k = 3900 C d = 0,4 g/cm Plutonium 94 Pu = 640 C T k = 330 C d = 19, g/cm

179 Hovedgrupper Helium He Ikke-metaller Metaller Bor 5 B = 075 C T k = 4000 C d =,34 g/cm 3 Carbon 3 6 C (Kulstof) = 3550 C T k = 47 C d = 3,51 g/cm 3 Nitrogen 4 7 N (Kvælstof) = 10 C T k = 196 C d = 1,17 g/l Oxygen 5 O (Ilt) = 19 C T k = 13 C d = 1,33 g/l Fluor 6 9 F = 0 C T k = 1 C d = 1,5 g/l T k = 69 C d = 0,17 g/l Neon 7 10 Ne = 49 C T k = 46 C d = 0,4 g/l Aluminium 13 Al Silicium 14 Si 3 4 Phosphor 15 P Svovl 5 16 S Chlor 6 17 Cl Argon 7 1 Ar = 660 C T k = 519 C d =,70 g/cm 3 = 1410 C T k = 365 C d =,33 g/cm 3 = 44, C T k = 0 C d =,34 g/cm 3 = 119 C T k = 445 C d =,07 g/cm 3 = 101 C T k = 34 C d =,95 g/l = 19 C T k = 16 C d = 1,66 g/l Nikkel Ni = 1455 C T k = 913 C d =,91 g/cm 3 16 Kobber 9 Cu = 105 C T k = 56 C d =,96 g/cm Zink 30 Zn = 40 C T k = 907 C d = 7,13 g/cm 3 1 Gallium 31 Ga = 9, C T k = 04 C d = 5,91 g/cm Germanium 3 Ge = 93 C T k = 33 C d = 5,3 g/cm Arsen 33 As : sublimerer ved 614 C d = 5,7 g/cm Selen 34 Se = 1 C T k = 65 C d = 4,79 g/cm Brom 35 Br = 7, C T k = 5, C d = 3,1 g/cm Krypton 36 Kr = 157 C T k = 153 C d = 3,4 g/l 1 Palladium 46 Pd = 1554 C T k = 315 C d = 1,0 g/cm Sølv 47 Ag = 96 C T k = 16 C d = 10,5 g/cm Cadmium 4 Cd = 31 C T k = 767 C d =,65 g/cm Indium 49 In = 157 C T k = 07 C d = 7,31 g/cm Tin 50 Sn = 3 C T k = 60 C d = 7,3 g/cm Antimon 51 Sb = 631 C T k = 157 C d = 6,69 g/cm Tellur 5 Te = 450 C T k = 9 C d = 6,4 g/cm Iod 53 I = 114 C T k = 14 C d = 4,35 g/cm Xenon 54 Xe = 11 C T k = 10 C d = 5,49 g/l 1 1 Platin 7 Pt = 176 C T k = 35 C d = 1,45 g/cm Guld 79 Au = 1064 C T k = 56 C d = 19,3 g/cm Kviksølv 0 Hg = 3, C T k = 357 C d = 13,6 g/cm Thallium 1 Tl = 304 C T k = 1473 C d = 11,9 g/cm Bly Pb = 37 C T k = 1749 C d = 11,3 g/cm Bismuth 3 Bi = 71 C T k = 1564 C d = 9, g/cm Polonium 4 Po = 54 C T 5 k = 96 C d = 9, g/cm Astat 5 At = 30 C T 6 k = 350 C Radon 6 Rn = 71 C T k = 6 C d = 9, g/l Darmstadtium 110 Ds Roentgenium 111 Rg Ununbium 11 Uub Ununtrium 113 Uut Ununquadium 114 Uuq Ununpentium 115 Uup Europium 63 Eu = C T k = 1596 C d = 5,5 g/cm Gadolinium 64 Gd = 1314 C T k = 364 C d = 7,7 g/cm 3 Terbium 1 65 Tb 5 = 1359 C 9 T k = 31 C d =,5 g/cm Dysprosium 66 Dy = 1411 C T k = 561 C d =,6 g/cm 3 Holmium 1 67 Ho = 147 C T k = 694 C d =,0 g/cm 3 Erbium 1 6 Er 9 = 159 C T k = 6 C d = 9,07 g/cm 3 Thulium 1 69 Tm 30 = 1545 C T k = 1946 C d = 9,3 g/cm Ytterbium 70 Yb = 4 C T k = 1194 C d = 6,97 g/cm 3 Lutetium 1 71 Lu 3 = 1663 C T k = 3393 C d = 9,4 g/cm Americium 95 Am = 994 C T k = 600 C d = 13,7 g/cm 3 Curium 1 96 Cm 3 = 1345 C Berkelium 97 Bk = 1050 C Californium 9 Cf = 900 C 9 d = 13,3 g/cm 3 d = 15,1 g/cm Einsteinium 99 Es = 60 C Fermium 1 3 = 157 C Fm Mendelevium 101 Md = 67 C Nobelium 10 No = 67 C Lawrencium 103 Lr = 167 C

180 KOSMOS FYSIK OG KEMI Grundbog B 1. udgave 1. oplag Gyldendalske Boghandel, Nordisk Forlag A/S, København Forlagsredaktion: Jesper Frænde og Søren Lundberg Ekstern redaktør: Svend Hessing Grafisk tilrettelæggelse: Carsten Schiøler Tegninger: Lars Petersen Tekniske tegninger: Martin Bassett Tryk: Narayana Press, Gylling Printed in Denmark 00 ISBN Kopiering fra denne bog må kun finde sted på institutioner, der har indgået aftale med COPY-DAN, og kun inden for de i aftalen nævnte rammer.