KOSMOS GRUNDBOG C ERIK BOTH HENNING HENRIKSEN

Transkript

1 KOSMOS GRUNDBOG C ERIK BOTH HENNING HENRIKSEN

2 Indhold KAPITEL 1 Atomfysik 6 Atomer og andre småting 8 Radioaktivitet 13 Radioaktivitet i brug 18 Energi fra kernen 20 Cafe Kosmos: Radioaktivitet og din krop 24 KAPITEL 2 Himmel og jord 28 Fra Universet til dig 30 Vind og vejr 34 Jorden under dig 38 Fra dig til atomerne 41 Cafe Kosmos: Sorte huller og mørkt stof 44 KAPITEL 3 Energi på vej 48 Induktion 50 Energiforsyning 55 Brintsamfundet 59 Anvendelser af induktion 63 Cafe Kosmos: Sikkerhedstjek i lufthavnen 66 KAPITEL 4 Elektronik og styring 70 Elektroniske komponenter 72 Informationer på vej 76 Styring 80 Anvendelser af elektronik 82 Cafe Kosmos: Vindmøller 86

3 KAPITEL 5 Kemiske metoder 90 Den naturvidenskabelige metode 92 Salte 95 Analyse og rensning 99 Kemi og elektricitet 104 Cafe Kosmos: Salt redder liv 108 KAPITEL 6 Kemisk produktion 112 Nanoteknologi 114 Materialer i et hus 117 Gødning 121 Olie og plast 124 Cafe Kosmos: Kemikerne gør dig til Spiderman 130 KAPITEL 7 Madens kemi 134 Kemiske stoffer i maden 136 Drikkevarer 141 Produktion af fødevarer 145 Sund mad farlig mad 148 Cafe Kosmos: Tyggegummi 152 KAPITEL 8 Kemi, menneske og samfund 156 Kemi før og nu 158 Ren luft rent vand 162 Forbrug og genbrug 166 Frontlinjekemi i Danmark 170 Cafe Kosmos: Guldmedaljerne, der forsvandt 172 Opsamling 176 Stikord 194 Litteratur 196 Fotoliste 197 Det periodiske system 198

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. Denne bogs navn, KOSMOS, er valgt, fordi bogen beskæftiger sig med mange af de enkeltdele, der samlet beskriver den verden, vi lever i. Ordet kosmos er et gammelt græsk ord, der netop betyder verden. Dengang blev ordet kosmos også brugt som modsætningen til kaos. Det er et mål for bogen at bekæmpe kaos ved at bringe orden i de naturvidenskabelige begreber. Fra kaos til kosmos. I denne tredje bog i fysik- og kemisystemet KOSMOS er der både traditionelle og mere moderne emner. I fysik beskrives bl.a. verden fra atomet til hele Universet, moderne elektronik samt radioaktivitet. I kemi beskrives den naturvidenskabelige arbejdsmetode udførligt, og der gives et indblik i nanoteknologi. I kapitlerne bevæger emnerne sig fra det små til det store. Fra atomer, nanoteknologi og kemiske bindinger til det ufattelig store Univers. Samlet dækker kapitlerne de krav, der stilles til undervisningen i fysik/kemi. Fysik- og kemisystemet KOSMOS har en hjemmeside, med et væld af digitale resurser. Hjemmesiden indeholder bl.a. videoer, 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 på de faglige betegnelser, som bruges. Der er også små historier om opfindelser og forskere. 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 en video af eks - perimentet på som kan ses, hvis skolen har købt abonnement. Vi deo en giver mulighed for, at I kan 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 tyggegummi, vindmøller, sorte huller og anvendelser af nanoteknologi. 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. Opsamling Til sidst i bogen findes en opsamling af de vigtigste faglige begreber fra A- og B-bogen. Disse sider vil være en hjælp i forbindelse med repetitionen. God fornøjelse med KOSMOS. Erik Both Henning Henriksen 5

6 KAPITEL 1

7 Atomfysik ATOMER OG ANDRE SMÅTING RADIOAKTIVITET RADIOAKTIVITET I BRUG ENERGI FRA KERNEN CAFE KOSMOS: RADIOAKTIVITET OG DIN KROP To vandrere fandt i 1991 et lig, der var dukket op under en smeltet gletsjer i Alperne. Ismanden, eller Ötzi som liget kaldes efter findestedet i Ötztal, var født for 5300 år siden nær byen Velturno i Italien. Som voksen levede Ötzi 50 km længere mod nord. Ötzi blev dræbt. Ramt af en pil i skulderen. Kort tid efter dækkede sneen hans krop, indtil han i 1991 blev fundet. Ötzi er verdens ældste mumie. Ötzis levesteder, alder og dødsårsag kendes fra undersøgelser af atomerne i hans tænder, af radioaktiviteten i hans krop og fra røntgenscanninger. Atomfysik kan også bruges i arkæologien. Hvor stort er et atom? Hvad er neutroner og protoner? Hvad har lys med atomer at gøre? Hvad er radioaktivitet? Hvorfor er stråling fra radioaktive stoffer farlig? 7

8 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Atomer og andre småting For mere end 2400 år siden påstod den græske tænker Demokrit, at når man blev ved med at halvere et stof, måtte man til sidst komme til en så lille mængde, at den ikke kunne deles yderligere. Demokrit kaldte denne lille mængde for et atom. Det græske ord a-tomos kan oversættes som ikke-delelig. Halverer man rumfanget af en 1 cm 3 stor terning, og halverer man den derpå to gange mere, får man en terning med siden 5 mm. Bliver man ved med at halvere ca. 70 gange, ville der kun være et enkelt atom tilbage. Nu kan terningen ikke halveres mere, for et atom er den mindste del af alle grundstoffer. Atomer er meget små. De har en diameter, der er mellem 0, m og 0, m, dvs. lidt over m, eller få milliontedele af en millimeter. Atomer har en størrelse mellem 1 og 4 nanometer, se side 114. 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 Elektronen opdages I 1897 opdagede englænderen Joseph Thomson, at atomer alligevel kunne deles, dvs. at atomerne indeholdt endnu mindre dele. Joseph Thomson udførte eksperimenter med en elektrisk strøm, som blev sendt gennem luft med et meget lavt tryk. Ved eksperimenterne så han en lysende stråle, en såkaldt katodestråle, der viste, hvor den elektriske strøm løb. Mange fysikere arbejdede med disse stråler, men Thomson var den første, der kunne afbøje strålerne både med magneter og med elektriske ladninger. Thomson opdagede, at katodestrålerne blev afbøjet over 1000 gange kraftigere end stråler af hydrogen-ioner. Han kunne ved disse eksperimenter vise, at atomer består af noget tungt, der er positivt ladet, og noget let, der er negativt ladet. De negative partikler i atomet blev senere kaldt elektroner. Thomson mente, at de negativt ladede elektroner og den positivt ladede del af atomet var blandet sammen. Elektro ner ne lå som rosinerne i en rosinbolle. Det skulle snart efter vise sig at være en forkert model. Atomkernens størrelse Englænderen Ernest Rutherford opdagede i 1911, at atomet havde en meget lille kerne. Rutherford og hans medarbejdere 8

9 KAPITEL 1 ATOMFYSIK sendte nogle meget små og hurtige partikler ind mod et tyndt folie af guld. Langt de fleste af disse projektiler gik lige gennem foliet. De ramte ikke noget på vejen. Men til forskernes store overraskelse blev enkelte partikler sendt tilbage. Det svarede til, at man skød en granat mod et stykke papir og derpå fik granaten sendt tilbage i hovedet. Partiklerne havde i atomet ramt noget, der var meget småt og tungt. Ud fra denne opdagelse kunne Rutherford beregne, at atomet havde en kerne, der var ca gange mindre end selve atomet. Et atom består altså af en lille kerne omgivet af en sky af elektroner. Elektronerne har en negativ elektrisk ladning, mens atomkernen er positivt ladet. Atomet holdes sammen af den elektriske tiltrækning. Elektronernes samlede ladning er lige så stor som atomkernens ladning, så hele atomet er uden elektrisk ladning. Næsten hele atomets masse, mere end 99,9 %, findes i kernen. At atomets størrelse er lidt over m eller 0,1 nanometer, vidste forskerne allerede i Men det kom som en stor overraskelse, at der inde midt i atomet er en langt mindre kerne. Kopiark 1.1 Thomson og elektronen Joseph John Thomson, engelsk fysiker ( ). Thomson er elektronens opdager. I 1897 viste han, at der i atomet er en negativt ladet partikel med en masse, der er mindre end en tusindedel af hele atomets masse. Rutherford og atomkernen Ernest Rutherford, engelsk fysiker ( ). Rutherford fik i 1908 Nobelprisen i kemi. I 1911 opdagede han, at atomkernen er langt mindre end atomet. 9

10 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Bohr og elektronerne Niels Bohr, dansk fysiker ( ). Niels Bohr indså i 1913, at elektronerne befinder sig i skaller omkring atomkernen. Når en elektron bevæger sig fra en skal til en anden, der er nærmere ved kernen, udsendes lys. Dette lys har en farve, som afhænger af hvilke skaller, elektronerne springer mellem. Bohrmodellen Thomson mente, at elektronerne var fordelt over hele atomet. Bohr påstod, at elektronerne kun kunne være i bestemte afstande fra kernen. Elektronspring laver lys Kemi handler om grundstoffer, kemiske forbindelser og stoffers reaktioner med hinanden. Når fx et fyrfadslys brænder, sker der en kemisk proces, hvor atomerne bindes sammen på en ny måde. Kemiske processer ændrer ikke de grundstoffer, der findes ved starten af processen. Grundstofferne kobles bare sammen på en ny måde ved hjælp af elektronerne. Kemiske processer foregår så at sige uden på atomerne. Elektronerne har ikke kun betydning for de kemiske bindinger. Elektronerne er også skyld i, at der opstår lys. Den opdagelse blev gjort af danskeren Niels Bohr i I 1911 var atomkernens størrelse kendt. Ingen kunne forstå, at den elektriske tiltrækning mellem den positivt ladede atomkerne og de negative elektroner ikke fik elektronerne til bevæge sig i en spiralbane ind mod kernen. Niels Bohr fik så en genial ide: Elektronerne kan kun bevæge sig i kugleskaller rundt om kernen. Når en elektron bevæger sig fra en skal til en anden, der ligger tættere på kernen, udsendes der lys. Lysets farve hænger sammen med forskellen i energi mellem de forskellige baner. Når en elektron falder ned i en bane tættere på kernen, udsendes en lille lyspakke. Den kaldes en foton. Det er den mindste mængde lys, der eksisterer. Lys som fingeraftryk Alle atomer i et bestemt grundstof har elektronskallerne liggende i samme afstande fra kernen. Derfor kan elektronerne kun foretage nogle bestemte spring, så farverne af lyset vil være de samme fra alle atomerne. Farven af det udsendte lys er derfor en slags fingeraftryk af det pågældende grundstof. Hvert grundstof udsender bestemte farver, når det bliver varmet op. Det vidste man inden Bohrs opdagelse, men Bohr var den første, der kunne forklare fænomenet. Grundstof nr. to i det periodiske system, helium, blev opdaget ved hjælp af farven af det udsendte lys. I 1868 fandt man en bestemt gul farve i lyset fra Solen. Ingen af de grundstoffer, man på det tidspunkt kendte, lyste med netop denne farve. Der måtte altså være et grundstof på Solen, som ikke fandtes på Jorden. Først 16 år senere fandt man helium på Jorden. Kopiark

11 KAPITEL 1 ATOMFYSIK EKSPERIMENT Elektronspring laver farver Hvert grundstof udsender ganske bestemte farver, når det bliver varmet op. Det er derfor muligt af farverne at bestemme de grundstoffer, der er til stede. Et optisk gitter spreder lyset på samme måde som et glasprisme. Se på en almindelig elpære, et lysstofrør og en lysdiode gennem gitret. Fugt en vatrondel med sprit. Læg vattet på en mursten på en bakke. Sæt bakken i stinkskabet. Drys lidt køkkensalt, NaCl, på vattet. Sæt ild til vattet. Se på farven af flammen både direkte og gennem et optisk gitter. Der kommer en tydelig gul farve fra natrium, når køkkensalt opvarmes. Gentag eksperimentet med CaCO 3, KCl, CuCl 2, LiCl og SrCl 2. Kvantefysik Elektroner er ikke altid små partikler. Elektroner kan også være bølger. Elektroner og andre atomare partikler har flere underlige egenskaber. De kan være mange steder på samme tid. Det er noget, der ikke kan fattes ud fra normale erfaringer. Atomernes verden beskrives i den såkaldte kvantefysik. Et kvant betyder i fysik en lille størrelse. I atomernes verden kan alle partikler også opfattes som små bølgepakker, men man ved ikke sikkert, hvor denne pakke er. Man kan kun finde en sandsynlighed for, at den er et bestemt sted. Atomfysikkens partikler kan heller ikke spærres inde. For os kan en høj mur være umulig at komme over. Men atomare partikler har en bestemt sandsynlighed for at komme over på den side af muren, der skulle være umulig at nå. På tilsvarende måde kan en partikel samtidig gå gennem to huller i en skærm. I atomernes miniverden gælder mærkelige love, der er svære at forstå. Niels Bohr har sagt: Hvis man kan sætte sig ind i kvantemekanik uden at blive svimmel, har man ikke forstået noget af det. I 2009 er verdensrekorden i stangspring 6,14 m. Den rekord er ikke forbedret i 15 år. Men i kvantemekanikkens verden ville en dygtig stangspringer ikke vide, om han kom over fire eller otte meter, når han havde sat af fra jorden. Alt ville være muligt. For en atomar partikel er der en lille sandsynlighed for, at den kommer over otte meter, også selv om den ikke har energi nok. 11

12 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Antal neutroner og protoner i atomkernen 14 C 6 Grundstofsymbol Antal protoner i atomkernen Atomkernen i carbon-14 har seks protoner og otte neutroner. Der er altså i alt 14 partikler i atomkernen. Nyttige oplysninger Et atom består af en atomkerne omgivet af elektroner. Når en elektron springer fra en skal til en anden, der er nærmere kernen, udsendes lys med en bestemt farve. Atomkernen indeholder positivt ladede protoner og neutrale neutroner. Antallet af protoner i et atom er det samme som grundstoffets nummer i det periodiske system. Atomerne i grundstofs isotoper har samme antal protoner, men forskelligt antal neutroner i atomkernen. Protoner og neutroner I atomkernen er der er to slags partikler, protoner og neutroner. Neutronen har ingen ladning. Protonen har en positiv ladning, der er lige så stor som elektronens negative ladning. Antallet af protoner i et bestemt grundstofs atomkerne er det samme som stoffets nummer i det periodiske system. Der er altså én proton i en hydrogenkerne, to protoner i en heliumkerne og 92 protoner i en urankerne. Protoner og neutroner har næsten samme masse. Massen er meget lille, kun 1, kg. Det kan skrives som 0,0 017 kg, hvor prikkerne skal erstattes af 24 nuller. Da det er ubekvemt at arbejde med så små tal, benytter atomfysikere en anden masseenhed end kilogram. De benytter en atomar masse - enhed, der forkortet skrives u. Både protoner og neutroner har en masse tæt ved 1 u. Elektronens masse er meget mindre, bare 0,0005 u. Det er 1/2000 af protonens masse. Isotoper I et bestemt grundstofs kerne kan der være et forskelligt antal neutroner. Atomer med samme antal protoner, men med et forskelligt antal neutroner, kaldes grundstoffets isotoper. Isotoperne af et bestemt grundstof har forskellige masser. Grundstof nr. 1, hydrogen, har altid en enkelt proton i atomkernen. Atomer af hydrogen kan findes både uden neutroner, med en og med to neutroner i atomkernen. Der findes altså tre forskellige hydrogen-isotoper. Hydrogen har grundstofsymbolet H. Det mest almindelige hydrogen betegnes 1 1H. Det nederste 1-tal er antallet af protoner i kernen. Det øverste 1-tal er det samlede antal partikler i kernen. Hydrogen-isotopen 2 1H, der kaldes deuterium, har altså to partikler i kernen, en neutron og en proton. I kemiske processer er der ingen forskel på de to isotoper. Når de reagerer med oxygen, dannes vand, H 2 O. I almindeligt vand indeholder 99,985 % af molekylerne den lette hydro genisotop. Men vand indeholder ganske lidt, 0,015 %, tungt vand, med isotopen deuterium. Massen af 1 ml almindeligt vand er præcis 1 gram, men samme mængde tungt vand med to deuterium-isotoper i mole - kylet har massen 1,11 g. Kopiark 1.3 og

13 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Radioaktivitet I 1895 havde Wilhelm Röntgen opdaget røntgenstrålerne. I de næste tyve år fik forskerne en ny forståelse af atomernes småtingsverden. Den ny forståelse er fx årsag til, at vi i dag kan sende rumsonder ud i verdensrummet, kan bruge mobiltelefon og udefra se, om en kuffert i lufthavnskontrollen indeholder sprængstoffer eller narkotika. En af denne periodes store opdagelser var de radioaktive stoffer. Stråler fra uran Den franske fysiker Henri Becquerel undersøgte i 1896 om et uransalt udsendte røntgenstråler, når det blev belyst af Solen. For at undersøge strålingen blev stoffet anbragt nogle timer i sollys. Uransaltet lå oven på en fotografisk film, der var pakket ind, så sollyset ikke kunne ramme den. Det viste sig, at den indpakkede film blev sværtet af stråler fra saltet. Det så altså ud, som om saltet udsendte røntgenstråling. Det var overskyet 26. og 27. februar 1896, så film og uransalt havde kun ligget i sollys i meget kort tid. Resten af tiden lå saltet oven på filmen i en skuffe. Becquerel havde forventet en ganske svag påvirkning af filmen, men da den blev fremkaldt, var den kraftigt sværtet. Becquerel gentog forsøget med film og uransalt i skuffen. Samme resultat. Efter mange målinger kunne han konkludere, at der kom en ny og ukendt stråling fra uran. Marie Curie og radium I 1897, kort efter at Becquerel havde opdaget den mystiske stråling fra grundstoffet uran, begyndte Marie Curie i Paris at undersøge strålingen. Hun kaldte den radioaktivitet. Ordet radio stammer fra latin og betyder stråle. Hun opdagede, at nogle mineraler udsendte langt mere stråling end det, der kom fra uran. Marie Curie indså, at hun havde fundet et mineral, der indeholdt små mængder af et nyt og ukendt grundstof. Sammen med sin mand begyndte hun arbejdet for at finde det ny grundstof. Men Curie fandt to nye grundstoffer, radium og polonium. Ud fra 1 ton af uranmineralet begblende var Curie i stand Radioaktiviteten opdages Henri Becquerel, fransk fysiker ( ). Becquerel opdagede i 1896, at uran udsendte en ny type stråling. Han kunne ikke forklare, hvad strålingen var, men i dag ved vi, at det er stråling fra radioaktive stoffer. Nye grundstoffer Marie Curie, polsk/fransk fysiker/kemiker ( ). Sammen med sin mand, Pierre Curie, fandt hun i 1901 to nye radioaktive stoffer, radium og polonium. Hun indførte navnet radioakti - vitet. Marie Curie er den eneste, der har fået nobelpriser både i fysik og kemi. 13

14 KAPITEL 1 ATOMFYSIK til at udvinde 1/10 gram af det nye grundstof, radium. Stoffet udsendte en meget stærk stråling. Det var selvlysende og blev opvarmet af sig selv pga. den kraftige energiomdannelse. Det var helt uforståeligt for datidens fysikere. Energien kunne ikke bare komme af sig selv. Løsningen på dette problem var overraskende. Strålingen kom fra de radioaktive atomers kerner. Energien opstod, når de radioaktive grundstoffer ændredes til nye grundstoffer. Denne grundstofændring var helt uforståelig, da alle kendte kemiske processer hidtil havde vist, at grundstoffer ikke kunne omdannes. Alfastråling, der består af positive heliumkerner afbøjes af et magnetfelt. De negativt ladede betapartikler afbøjes i den modsatte retning. Gammastråling påvirkes ikke af magnetfelter. Alfapartikel Alfastråling Am Np + He Americium-241 henfalder til neptunium-237 ved udsendelse af en alfapartikel. Halveringstiden er 458 år. Betastråling Sr Y + e Betapartikel Strontium-90 henfalder til yttrium-90 ved udsendelse af en betapartikel. Halveringstiden er 29 år. Gammastråling Gammastråling Cs* Cs + γ Caesium henfalder fra en energirig tilstand ved udsendelse af gammastråling. Halveringstiden er 30 år. Tre slags stråling Der findes tre typer stråling fra radioaktive stoffer, alfa-, betaog gammastråling. Alfa, beta og gamma er de tre første bogstaver, α, β og γ, i det græske alfabet. Alfastråling har en kort rækkevidde. Strålingen stoppes af fem centimeter luft eller et stykke papir. Alfastråling er partikler med to protoner og to neutroner. Partiklerne er altså atomkerner af grundstoffet helium. Når den radioaktive atomkerne mister to protoner, bliver den omdannet til et nyt grundstof med et atomnummer, der er to mindre. Betastråling har en længere rækkevidde end alfastråling. Strålingen kan bevæge sig mange centimeter i luft og trænge gennem metalfolier med en tykkelse på en halv millimeter. Betastråling består af elektroner, der kommer fra kernen. Kernen indeholder ikke elektroner, men de opstår, når en neutron omdannes til en proton og en elektron. Når kernen får en proton mere, bliver atomet omdannet til et nyt grundstof med et atomnummer, der er én større. Gammastråling har den største rækkevidde. Strålingen kan trænge gennem metalplader og bevæge sig langt i luft. Lys opstår, når elektroner falder fra en skal ned til en anden. Gammastråling opstår på tilsvarende måde, når der sker en energiændring i atomkernen. Gammastråling er elektromagnetisk stråling ligesom lys, radiobølger og røntgenstråling. Kopiark 1.5 Halveringstid Når et stof er radioaktivt, bliver atomerne omdannet. Der vil derfor være færre og færre af de radioaktive atomer tilbage. 14

15 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Halveringstiden er den tid, der går, indtil halvdelen af atomerne i stoffet er omdannet. Når der er gået to halveringstider, er der kun en fjerdedel af atomerne tilbage. Efter tre halveringstider er en ottendedel tilbage. Halveringstider kan være meget forskellige. Der findes atomer, hvor halveringstiden er mindre end en tusindedel sekund. Andre stoffer har meget lang halveringstid. Der findes stoffer med en halveringstid, der er længere end den tid, Jorden har eksisteret. Stoffer med så lang halveringstid udsender kun ganske lidt stråling, mens de kortlivede udsender meget. Kopiark 1.6 og 1.7 Hvorfor er nogle isotoper radioaktive? I et bestemt grundstofs atomer er der altid samme antal protoner i atomkernerne. Men i de forskellige isotoper kan der være stor forskel på antallet af neutroner. Hvis der er mange neutroner i en kerne, kan den blive ustabil. Den udsender så en betapartikel, hvorved en neutron omdannes til en proton. Der bliver på den måde dannet en mere stabil kerne. Hvis der omvendt er få neutroner i kernen, vil frastødningskræfterne mellem de positive protoner bevirke, at kernen kan blive mere stabil ved udsendelse af en alfapartikel. Når der er udsendt en alfa- eller en betapartikel, vil kernen tit være gamma-aktiv. Efter yderligere henfald dannes til sidst en stabil kerne. Antallet af radioaktive atomer er halveret, når der er gået en halveringstid. Efter to halveringstider er antallet faldet til en fjerdedel. Radioaktive stoffer skal markeres med et gult fareskilt. Ioniserende stråling Strålingen fra radioaktive stoffer ioniserer de stoffer, der bliver ramt. At strålingen ioniserer, betyder, at der bliver slået elektroner ud af de ramte atomer, der herved bliver til positive ioner. Bindingerne mellem atomerne i et molekyle kan også blive ødelagt. Denne ioniserende effekt har både gode og dårlige konsekvenser. Allerede tidligt efter opdagelsen af de radioaktive stoffer blev man klar over, at strålingen kunne dræbe kræftceller. At strålingen også kan skade sunde celler, opdagede man først senere. Marie Curie fik ødelagt sine hænder efter i mange år at have rørt ved radioaktive stoffer. Hun døde af en blodsygdom, der med stor sandsynlighed opstod på grund af den kraftige stråling, som hun havde været udsat for. 15

16 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Halveringstid og terninger Kaster man en terning, er sandsynligheden en sjettedel for at få en sekser. På samme måde har de enkelte atomer i et radioaktivt stof en bestemt sandsynlighed for at udsende stråling og derved henfalde til et andet stof. Hver gang der udsendes stråling, bliver der mindre af det radioaktive stof. EKSPERIMENT Kast 100 terninger. Fjern alle seksere. De stables til en søjle. Skriv på tavlen, hvor mange terninger der er tilbage. Kast så de resterende terninger. Fjern igen sekserne, der stables til en ny søjle. Skriv igen, hvor mange terninger der er tilbage. Bliv ved, indtil der er mindre end 25 terninger tilbage. Undersøg, hvor mange omgange der skal slås, før halvdelen og før tre fjerdedele af terningerne er fjernet. Hvad er halveringstiden for terningerne? Gentag eksperimentet nogle gange. Er halveringstiden den samme hver gang? Gentag eksperimentet, men denne gang fjernes de terninger, der viser 1 eller 2. Find igen halveringstiden. Geigertæller Når en alfa- eller betapartikel kommer ind i geigertælleren, ioniseres luften. De negative elektroner trækkes over mod den positive stang i midten af røret. Geigertælleren Den ioniserende virkning af stråling udnyttes i de instrumenter, der bruges til at måle størrelsen af strålingen. En geigertæller er et lille rør, hvor lufttrykket er lavt, ca. en tiendedel atmosfære. I enden af røret er et tyndt folie, som strålingen kan passere. I røret findes en metalcylinder med en tynd stang i midten. Der er en spændingsforskel mellem stang og cylinder. Når strålingen kommer ind i røret, ioniseres luften. Der dannes elektroner. Spændingsforskellen mellem tråd og cylinder giver disse elektroner ekstra fart, så de kan ionisere flere luftmolekyler. Med en følsom impulstæller kan man måle den lille ændring i spændingsforskellen, der kommer, når elektronerne rammer tråden. Det kan høres som tilfældige klik, når en højttaler er tilsluttet. Tælleren kaldes en geigertæller efter opfinderen Hans Geiger, der lavede de første tællere i Kopiark 1.8, 1.9 og

17 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Baggrundsstråling En geigertæller viser, at der er ioniserende stråling, også selv om skolens radioaktive kilder er langt væk. Der er nemlig radioaktive stoffer overalt. Der kommer stråling fra radioaktive stoffer i jorden. Der er således normalt flere kilogram uran i den øverste meter af jorden i en almindelig parcelhusgrund. Radon, en radioaktiv gas, strømmer op fra undergrunden de fleste steder i Danmark. Fra verdensrummet bliver Jorden til stadighed bombarderet af atomare partikler, der kan få geigertællere til at reagere. Denne stråling kaldes baggrundsstrålingen, fordi den hele tiden er til stede. Vi kan ikke undgå baggrundsstrålingen. I Danmark er baggrundsstrålingen højest på Bornholm, fordi klipperne i undergrunden indeholder mere radioaktivt materiale end muldjorden andre steder i Danmark. I mange huse er strålingsniveauet ret højt pga. små opstrømmende mængder af radon. Kopiark 1.11 og 1.12 E = mc 2, fysikkens mest kendte formel Kernefysikere bruger store, meget energikrævende apparater til at undersøge, om der er andre partikler inde i kernens protoner og neutroner. Ved at få partikler til at støde sammen med en fart lige under lysets fart, kan kernefysikere smadre kernepartiklerne. På den måde har man opdaget, at der er mange mindre partikler i kernepartiklerne. En af de spændende partikler er positronen. Det er en partikel med samme masse som elektronen, men med en positiv ladning, altså en positiv elektron. Når en positiv positron støder ind i en negativ elektron, forsvinder de begge. Selv om de begge har en masse, er der ingen masse tilbage efter deres sammenstød. Stoffet er forsvundet. Der er blevet til energi i form af gammastråling. Denne forsvinden er en følge af Albert Einsteins relativitetsteori. Et af relativitetsteoriens resultater er den berømte formel E = mc 2. Her er E energien, m massen og c lysets fart. Ved hjælp af denne formel kan man bestemme, hvor meget energi der dannes, når en masse forsvinder. Det er den formel, der forklarer, hvordan energien i kernekraftværker og atombomber opstår. Nyttige oplysninger Der findes tre typer stråling fra radioaktive stoffer, alfa-, beta- og gammastråling. Alfastråling er positivt ladede heliumkerner. Betastråling er negativt ladede elektroner. Gammastråling er elektromagnetisk stråling udsendt fra atomkernen. Efter et alfa- eller betahenfald omdannes atomkernen til et nyt grundstof. Når der er gået en halveringstid, er der kun den halve mængde af det radioaktive stof tilbage. Albert Einstein, tysk/amerikansk fysiker ( ). Einstein er 1900-tallets mest berømte fysiker. Hans største opdagelse er relativitetsteorien, der fx forklarer, hvorfor lysets fart er den største fart, noget legeme kan få. Hans teori beskriver også, at tiden går langsommere, når man bevæger sig meget hurtigt. 17

18 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Radioaktivitet i brug U Th + 4 2He Ra + 4 2He Rn + 4 2He Po + 4 2He 214 Pb + 4 2He 82 Radon Uran-238 henfalder til bly-214 i fem trin ved i hvert trin at udsende en alfapartikel. Et af disse henfaldsprodukter er grundstoffet radon, Rn, der er en luftart. Da der overalt er uran i undergrunden, kan radon sive op gennem jorden. Hvis denne luftart trænger ind i kældre, der ikke er tilstrækkeligt udluftet, kan koncentra tionen af radon og radons henfaldsprodukter blive så høj, at det kan være sundhedsfarligt. Stråling fra radioaktive stoffer er farlig i store mængder, men ganske små mængder skader næppe. Radioaktive stoffer kan derfor uden større risiko bruges til mange praktiske formål, bl.a. ved undersøgelser på sygehuse. Virker nyrerne? Indtil 1937 var der et hul på plads nummer 43 i det periodi - ske system. Ingen kunne finde grundstof nr. 43. Årsagen til den tomme plads viste sig at være, at det manglende stof var radioaktivt, så alle de atomer af stoffet, der fandtes, da Solsystemet blev dannet, nu var forsvundet. I dag kan man kunstigt fremstille en isotop af dette grundstof, technetium, men stoffet forsvinder hurtigt. Halveringstiden er på seks timer. Technetium bruges meget ved medicinske undersøgelser. Skal man finde ud af, hvor hurtigt nyrerne udskiller et bestemt stof, kan man kemisk binde lidt technetium til stoffet. Patienten får en indsprøjtning eller drikker en opløsning af det radioaktive stof. Med en tæller måler man, hvor hurtigt stoffet forsvinder fra nyrerne. Skal man foretage en undersøgelse af knoglesvulster, kan technetium bindes til et andet stof, der efter indsprøjtning samler sig i knoglevævet. I svulsterne dannes nyt væv, og her samles store mængder af det indsprøjtede stof. Ved nu at måle mængden af stråling i de forskellige dele af kroppen, kan man finde de steder, hvor der er en kræftsvulst i knoglerne. Hvor gammel er ismanden? Kulstof-14-metoden 14 Carbon-isotopen, 6 C, der normalt kaldes carbon-14 eller kulstof-14, har en halveringstid på 5730 år. Carbon-14-atomerne dannes højt oppe i atmosfæren, når stråling fra Solen rammer luften. De dannede carbon-14-atomer fordeler sig på få år i hele atmosfæren. Ved fotosyntesen optages denne carbon-isotop i planterne. Når dyr æder planterne, optages isotopen i dyrenes celler. På den måde ender carbon-14 i alle celler i planter og dyr. Selv om der kun dannes omkring 5 kg af denne isotop hvert år, er det nok til, at den kan bruges ved bestemmelse af arkæologiske genstandes alder. 18

19 KAPITEL 1 ATOMFYSIK EKSPERIMENT Radioaktivt radon i kælderen Hvis der siver radon fra undergrunden ind i skolens kælder, vil støvet i lokalet indeholde små mængder af de stoffer, radon henfalder til. Anbringes et par lag gaze på mundstykket af en støvsuger, er det muligt at opsamle noget af dette støv. Vælg et af skolens kælderrum, hvor der sjældent luftes ud. Luften fra dette rum suges gennem et stykke gaze i ca. en halv time. Sug også luften i et klasselokale gennem gaze i en halv time. Med en geigertæller undersøges tælletallene fra de to stykker gaze. Radon fra undergrunden er den største kilde til radioaktiv forurening i huse i Danmark. Det er vigtigt, at fundamenterne forsegles, så radon ikke kan trænge ind i boligen. Når et træ eller dyr dør, vil der ikke blive optaget mere carbon-14. Mængden af carbon-14 i den døde organisme vil nu mindskes, når de radioaktive carbon-14-atomer omdannes. Ved at måle indholdet af carbon-14 i en genstand er det derfor muligt at foretage aldersbestemmelser op til omkring år. Selv om et menneske kun indeholder ca. 10 milliardtedele gram af carbon-14, er målemetoderne så følsomme, at man med en ganske lille prøve er i stand til at foretage en præcis aldersbestemmelse. Det er med denne metode, kulstof-14- metoden, at ismandens alder er blevet bestemt til 5300 år. Nyttige oplysninger Alderen af arkæologiske genstande kan bestemmes ud fra indholdet af carbon-14. Radioaktive stoffer benyttes på hospitaler til undersøgelse og behandling af mange sygdomme. Solsystemets alder Solsystemet blev antagelig dannet for 4,567 milliarder år siden. Det ved man, fordi der ikke er fundet noget materiale, der har en højere alder. Der er fundet mineraler, der er 4,4 milliarder år gamle, og der er fundet meteoritter, der er endnu ældre. Men de ældste meteoritter er 4,567 milliarder år gamle. Heller ikke sten fra Månen er ældre. Derfor mener man i dag, at Solen, Jorden og planeterne har en alder på 4,567 milliarder år. Ved denne aldersbestemmelse er der ikke brugt carbon-14, men andre isotoper med en meget lang halveringstid. 19

20 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Energi fra kernen Når en urankerne rammes af en neutron, kan den fx deles i en barium- og en krypton - kerne. Ved processen dannes også tre neutroner, der kan starte en ny fission i en anden urankerne. Atombomben Efter opdagelsen af fissionen indså fysikerne, at denne proces kunne bruges til en bombe af uhørt styrke. Der startede nu et kapløb mellem fysikere fra 2. verdenskrigs to modstandere. USA var hurtigst. I 1945 kastede USA den første atombombe over den japanske by Hiroshima, hvor ca omkom pga. eksplosionen. Bomben havde en styrke, som om ton almindeligt sprængstof var blevet benyttet. Billedet viser Hiroshima efter eksplosionen. Ved en kemisk proces, som fx en forbrænding, frigives energi. Den opstår, når de enkelte grundstoffer forbindes med hinanden til nye kemiske forbindelser. Ved kerneprocesser dannes derimod nye grundstoffer. Hvis de nye grundstoffer har en lavere masse end de oprindelige, frigives meget store energimængder. Denne metode til frembringelse af energi blev brugt i de atombomber, der blev kastet over Japan i Og metoden benyttes i mange af vore nabolande til elproduktion i kernekraftværker, der også kaldes atomkraftværker. I atombomber og kernekraftværker frigives energi, når en stor atomkerne går i to stykker. Stykkerne bliver til to nye grundstoffer, der udsendes med stor fart. Ved denne proces forsvinder der masse, som omdannes til energi. Fission I 1938 undersøgte fysikere, hvad der sker, når en neutron rammer kernen af et grundstof. I næsten alle tilfælde blev der dannet en anden isotop af grundstoffet. Da turen kom til uran, opdagede de tyske kemikere Hahn og Strassmann, at der blev dannet et helt andet stof, nemlig barium. Det kunne ikke passe, så den kemiske analyse af det bestrålede stof blev gentaget flere gange. Til sidst måtte de give op: Der dannes barium - men vi forstår det ikke! To fysikere, Lise Meitner og Otto Frisch, der var gæster ved Niels Bohr Institutet i København, fandt ud af, hvorfor der dannedes barium. Kernen med den ekstra neutron spaltes i to dele. De foreslog at kalde processen fission (spaltning). Hurtigt blev denne fission kendt blandt flere landes fysikere. Det viste sig, at der samtidig med spaltningen af urankernen blev udsendt to eller tre neutroner. Hvis disse neutroner rammer andre urankerner lige efter den første fission, vil der udsendes mange flere neutroner. De kan starte en kædeproces, der hurtigt får flere og flere urankerner til at spaltes. Processen kan i løbet kort tid udvikle en ufattelig stor energi. Kernekraft I mange lande, bl.a. Frankrig, Belgien, Sverige og Tyskland, produceres en stor del af el-energien på kernekraftværker. I 20

21 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Opbygning af et kernekraftværk 2009 er der i hele verden omkring 450 kernekraftværker. Her kommer energien ikke fra en forbrænding, men fra fissionsprocessen. Det er samme proces som i atombomberne, blot sker spaltningen af uran-atomerne på kernekraftværkerne langsomt og på en kontrolleret måde. Når atomkernen spaltes, frigøres en stor energimængde. Spaltning af 1 kg uran frigør en energi, der er mere end to millioner gange større end energien ved forbrænding af 1 kg carbon. Energien kommer, fordi lidt af massen forsvinder ved processen. Einsteins berømte formel, E = mc 2, viser, at der er en sammenhæng mellem energien, E, og den forsvundne masse, m. Kernekraftværker I reaktoren i kernekraftværket på billedet findes omkring lange, tynde metalrør, der indeholder urandioxid, UO 2. Rørene er lavet af en stærk zirconiumlegering, så brændslet ikke kan komme ud til omgivelserne. Omkring 50 rør er samlet i et brændselselement. Brændselselementerne befinder sig i en tryktank, hvor vand under højt tryk strømmer forbi. Afstanden mellem brændselselementerne er så lille, at der kan foregå en kædereaktion. Det betyder, at der netop dannes så mange neutroner ved uran-atomernes spaltning, at de næste urankerner kan spaltes. Kernekraftværk 100 km syd for grænsen mellem Danmark og Tyskland, ligger kernekraftværket Brokdorf. Det producerer en elektrisk effekt på næsten 1500 megawatt. Til sammenligning bruger hele Danmark en effekt omkring 5000 MW. Energien fra kraftværket dannes i en reaktor, der indeholder ca. 100 ton uranholdigt brændsel. 21

22 KAPITEL 1 ATOMFYSIK Energi fra uran I en reaktor kan 1 kilogram uran som brændsel give en energimængde på joule, hvor 1 kg carbon ved forbrænding giver 2 millioner gange mindre energi. Energien fra de 1000 gram uran opstår, fordi uran-atomerne omdannes til andre grundstoffer, som samlet har en masse tæt på 999 gram. Der forsvinder en masse på kun 0,9 gram. Under normal drift omdannes ca. 2 gram uran hver dag i en stor reaktor. Einsteins formel E=mc 2, viser, at der opstår energi, E, når der forsvinder masse, m. Symbolet c er lysets fart, m/s. Med 0,9 g forsvundet stof findes E = mc 2 = (0,0009 kg) ( m/s) 2 = joule. Nyttige oplysninger En fission sker, når en urankerne rammes af en neutron og derpå spaltes til to mindre atomkerner. Ved en fission dannes meget store mængder energi. Kernekraftværker udnytter fission. Mellem brændselselementerne er der kontrolstænger. Når en neutron rammer en kontrolstang, fanges neutronen, så den ikke kan deltage i kædeprocessen. Ved at trække kontrolstængerne ud eller ind kan mængden af frie neutroner reguleres. På denne måde styres kædeprocessen. Den dannede energi ved fissionen opvarmer vandet, som bruges til at producere damp i et andet kredsløb med lavere tryk. Dampen driver nogle turbiner og generatorer, der producerer elektricitet. Denne del af kernekraftværket virker som et helt almindeligt kraftværk. Der er gjort meget for at undgå udslip i tilfælde af uheld. Reaktorens tryktank er lavet af stål med en tykkelse på 25 cm. Bygningen omkring reaktoren har tykke betonvægge beklædt med stål på indersiden. Desuden findes en række filtre, som kan tilbageholde radioaktive stoffer, hvis der ved en fejl skulle slippe noget ud af selve reaktortanken. Kopiark 1.13 og 1.14 Affald fra kernekraftværker Der er en række problemer ved udnyttelse af kernereaktorer. De grundstoffer, der dannes ved fissionen, er stærkt radioaktive. Desuden skaber neutronbestrålingen af uran nogle stoffer med en meget lang halveringstid. Derfor skal det brugte kernebrændsel isoleres fra omgivelserne i mange år. Affaldet er farligt, men til gengæld er mængden ikke stor. Et års drift af et kernekraftværk medfører nogle få kubikmeter radioaktivt materiale. Når et brændselselement har været brugt i omkring fire år, er uranindholdet blevet for lavt til, at processen kan fortsætte. Elementet skal udskiftes. De brugte brændselselementer indeholder stærkt radioaktive stoffer. Det meste, 95 %, kan bruges som brændsel i særlige reaktorer. I nogle lande, bl.a. Frankrig og England, bliver affaldet behandlet kemisk, så de farligste stoffer fjernes. Disse stoffer skal deponeres i flere hundrede år. I andre lande, bl.a. Sverige, Finland og USA, deponeres alt affaldet et sted, hvor stoffet ikke forventes at komme op til overfladen i mange hundrede år. De radioaktive stoffer smeltes ind i glas. I Sverige anbrin - ges affaldet 500 m under overfladen i et område med grundfjeld. 22

23 KAPITEL 1 ATOMFYSIK EKSPERIMENT Kædereaktion Kædereaktionsapparatet med tændstikker giver et indtryk af processen i en reaktor. En brændende tændstik et sted i apparatet vil sætte ild til sine to nabotændstikker. Med nogle metalstifter er det muligt, som med kontrolstænger i en reaktor, at bremse kædeprocessen. Kædereaktionsapparatet anbringes i et forsøgsstativ og fyldes med tændstikker. Anbring seks stifter i apparatet. Tænd en af tændstikkerne. Hvor længe varer det, inden den sidste tændstik tændes? Gentag eksperimentet med 12 stifter. Er kernekraft farlig? Ja, kernekraft er farlig. Men det er alle andre former for energiproduktion også. Skal man tage stilling til brug af kernekraft må fordele og ulemper vejes op mod hinanden. Hvad er værst for samfundet: Risikoen for et udslip af radioaktivt materiale, der vil forårsage mange kræftdødsfald, eller en fortsat brug af fossile brændstoffer med udledning af carbondioxid til atmosfæren og brug af naturresurser, der bedre kunne bruges til andre formål? Det er et svært spørgsmål, for der skal sammenlignes forhold, som ikke umiddelbart er nemme at sammenligne. Et radioaktivt udslip har en meget lille sandsynlighed for at ske, men konsekvenserne kan blive store. Den fortsatte brug af fossile brændstoffer vil ændre atmosfærens egenskaber og bidrage til risikoen for krige, når oliefelter og kulminer er ved at være tomme. Det bliver et vanskeligt problem at tage stilling til. 23

24 CAFE KOSMOS RADIOAKTIVITET OG DIN KROP Radioaktive stoffer skal opbevares sikkert. Affald fra kernekraftværker skal gemmes i mere end tusind år. Hvorfor er stråling fra radioaktive stoffer farlig? Hvad sker i din krop, når du udsættes for ioniserende stråling? I en strålekanon kan en farlig svulst dræbes med ioniserende stråling. den afhænger også af bestrå - lingstypen, og hvor kroppen bestrå - les. Bestråling af kønsorganerne er meget farli gere end bestråling af fx fødderne. Man måler en strålings skadevirk - ning i enheden sievert, der er op - kaldt efter den svenske fysiker Rolf Sievert. Enheden forkortes Sv. En sievert er en stor enhed, derfor bruger man ofte enheden millisie - vert. En millisievert, der forkortes msv, er en tusindedel sievert. Vi udsættes alle for stråling. En dansker får i gennemsnit ca. 3 msv pr. år. For en vestjyde er dosis lavere, men bor man på Bornholm kan dosis være højere. Bor man i et hus, hvor der siver radon ind i kælderen, kan dosis blive en del højere. Ved flyvning udsættes man for meget stråling. I den højde, hvor passagerfly bevæger sig, er strålingen næsten 100 gange højere end ved jordoverfladen. Når stråling fra radioaktive stoffer rammer kroppens atomer, dannes der ioner. De kemiske bindinger i molekylerne rives over. Disse ændringer i kroppens celler kan være skadelige. Hvis strålingen rammer og ødelægger cellernes DNA, kan den beskadigede DNAstreng ikke længere fungere efter hensigten. Det kan få alvorlige konsekvenser. Hvis strålingen er meget kraftig, vil den være dræ - bende. Hvis strålingen er kraftig, men uden at være dræbende, er risikoen for senere at få en alvorlig kræftsygdom blevet forøget. Men hvor farlig er strålingen sammenlignet med andre af de farer, vi ellers er udsat for? STRÅLINGENS STYRKE Skadevirkningen fra den ionise - rende stråling afhænger især af den energi, der afsættes i kroppen, når strålingen bremses. Men ska - 24 Disse ca. 3 msv pr. år er ikke en far - lig dosis. Personer, der arbejder steder, hvor der er risiko for strå - ling, fx hospitalspersonale ved rønt - genanlæg, må ikke få en dosis, der er over 20 msv/år. Den dødelige dosis ved kortvarig bestråling er omkring 4 Sv, dvs msv. BESTRÅLING AF KROPPEN Vi har alle kalium i kroppen. En af kaliums isotoper er radioaktiv. Vi får derfor alle en årlig strålingsdosis på omkring 0,4 msv fra de radioaktive stoffer i kroppen. Jo r - den under os og himlen over os giver også en bestråling. Når der i en periode er kraftig aktivitet på Solen, modtager vi en øget strå - ling.

25 CAFE KOSMOS aktive stoffer. En årsag kan være angsten for en gentagelse af de frygtelige situationer ved de to atombombeeksplosioner i Japan i Skal man vurdere risikoen for en bestemt hændelse, må man både se på sandsynligheden for, at den sker, og på konsekvenserne af hændelsen. Ved bestråling i forbindelse med kernekraftulykker kan konsekvenserne blive meget store, men sandsynligheden for at en ulykke sker er meget lille. I rumstationen udsættes astronauterne for stor bestråling. De største bidrag til bestrålingen af kroppen kommer fra røntgenundersøgelser og fra udstrømmende radon fra jorden. Et røntgenbillede hos tandlægen giver en dosis på omkring 0,03 msv, men en større røntgenundersøgelse kan give en dosis, der er lige så stor som den samlede årlige dosis fra alle andre strålekilder. Store doser gives til kræftsyge patienter. Med strålekanoner kan man sigte på en kræftsvulst og give den en så stor dosis, at kræftcel - lerne dør. Desværre vil det omlig - gende væv også blive beskadiget. I 1986 skete en alvorlig ulykke på et kernekraftværk i Tjernobyl i Rus - land. Der skete en fejlbetjening, så reaktoren blev kraftigt opvarmet og sprang i luften. 32 personer døde. De fleste pga. den bestråling de fik under brandslukningen og det følgende redningsarbejde. Det radioaktive stof, der slap ud ved eksplosionen, bevirker, at mange sene re vil dø af kræftsygdomme. Der er ikke meget viden om konsekvenserne af små strålingsdoser. Det er et område, hvor der ikke kan udføres eksperimenter. Selv om man kender de doser, en række personer har modtaget, er det ikke muligt at finde ud af, om strålingen giver en øget kræftrisiko. Da ca danskere hvert år ram - mes af en kræftform, er det ikke muligt at se, om det er 1, 10 eller 100 tilfælde, der skyldes en tid lige - re bestråling. RISIKO OG SANDSYNLIGHED Der er stor nervøsitet for konsekvenserne af bestråling fra radio - Skal man undgå skader på sin krop, er det vigtigere at undgå tobak, alkohol, stoffer og fed mad. Her findes en veldokumenteret viden om de skadelige konsekvenser. Der er således bred enighed om, at tobaksrygning er årsag til omkring kræfttilfælde hvert år. Men om kroppen har modtaget 3 eller 5 msv hvert år kan ikke opdages i syge statistikkerne. Personer, der i deres arbejde har en risiko for at blive påvirket af ioniserende stråling, skal bære et dosimeter på kroppen. Filmen i dosimetret vil efter fremkaldelse vise størrelsen af den stråling, personen har modtaget. 25

26 DET VED DU NU OM ATOMFYSIK ATOMER OG ANDRE SMÅTING Et atom består af en atomkerne omgivet af elektroner. Når en elektron springer fra en skal til en anden, der er nærmere kernen, udsendes lys med en bestemt farve. Atomkernen indeholder positivt ladede protoner og neutrale neutroner. Antallet af protoner i et atom er det samme som grundstoffets nummer i det periodiske system. Atomerne i et grundstofs isotoper har samme antal protoner, men forskelligt antal neutroner i atomkernen. RADIOAKTIVITET RADIOAKTIVITET I BRUG Alderen af arkæologiske genstande kan bestemmes ud fra indholdet af carbon-14. Radioaktive stoffer benyttes på hospitaler til undersøgelse og behandling af mange sygdomme. ENERGI FRA KERNEN Der findes tre typer stråling fra radioaktive stoffer, alfa-, beta- og gammastråling. Alfastråling er positivt ladede heliumkerner. Betastråling er negativt ladede elektroner. Gammastråling er elektromagnetisk stråling udsendt fra kernen. Efter et alfa- eller betahenfald omdannes atomet til et nyt grundstof. Når der er gået en halverings - tid, er der kun den halve mængde af det radioaktive stof tilbage. 26 En fission sker, når en urankerne rammes af en neutron og derpå spaltes til to mindre atomkerner. Ved en fission dannes meget store mængder energi. Kernekraftværker udnytter fission.

27 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Hvad er forskellen på isotoperne af et grundstof? 14 Hvad betyder tallet 14 i 6 C? Hvad er carbon-14-metoden? Hvor mange protoner er der i et aluminium-atom? Hvad er forskellen på protoner og neutroner? Hvad hedder de tre former for radioaktivitet? Hvad sker der, når en elektron falder ind i en bane, der er tættere på atomkernen? Hvad er tungest, en neutron eller en elektron? Hvad er tungt vand? Hvad er et radioaktivt stofs halveringstid? UDFORDRING Beskriv, hvad der sker i en kernereaktor. Hvor mange neutroner er 19 der i 9 F? Hvad er forskellen på processerne i en atombombe og i en kernereaktor? Hvorfor dannes der ikke et nyt grundstof, når der udsendes gammastråling? 27

28 KAPITEL 2 Himmel

29 og jord FRA UNIVERSET TIL DIG VIND OG VEJR JORDEN UNDER DIG FRA DIG TIL ATOMERNE CAFE KOSMOS: SORTE HULLER OG MØRKT STOF Vores hverdag beskrives med længder fra millimeter til kilometer, med tider fra sekunder til år og med masser fra gram til ton. Men uden for Jorden og inde i dig findes størrelser, der ikke kan måles og forstås ud fra det, vi er vant til i det daglige. Ser vi ind i atomernes verden, finder vi masser, som i kilogram er så små, at der er 30 nuller efter kommaet. Og ser vi ud i Universet er der afstande, som skrevet i meter har 25 cifre. Lyset fra galaksen på billedet har været mere end sekunder om at nå ned til os. Hvad er Big Bang? Hvorfor er Jordens indre glødende? Hvor langt er der til Solen? Hvorfor føles det koldere om vinteren, når det blæser? Hvad er en gejser? Hvorfor drejer luften rundt om et sted med lavtryk? Hvad er kontinentaldrift? 29

30 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD Fra Universet til dig Når man om natten kigger op mod himlen uden at bruge kikkert, kan man se mere end tusind stjerner. Det er dog kun en meget lille del af Universets mange stjerner, for der findes milliarder af galakser, dvs. store samlinger af stjerner, hver med milliarder af stjerner. Og omkring mange af disse stjerner kredser planeter, nogle måske som vores Jord. Guldet i øreringene er skabt i de få sekunder for mange milliarder år siden, da en stjerne faldt sammen i en supernovaeksplosion. Big Bang på fjernsynsskærmen Undertiden kan man på tv-skærmen se en masse tilfældigt blinkende pletter. De kommer, når fjernsynet er indstillet på en kanal, som ikke sender. Mange af pletterne er rester af lys fra dengang, Universet kun var år gammelt. På det tidspunkt havde Universet udvidet sig så meget, at der var plads mellem atomerne til, at lys kunne bevæge sig. Universet blev gennemsigtigt. Dette gamle lys har i dag en farve, der ikke kan ses med øjnene. Lyset har nu samme bølgelængde som fjernsynssignaler. Det er ved at se på Universet med instrumenter, der kan måle disse bølgelængder, at astronomerne har bestemt den tid, der er gået siden Big Bang. Det hele begynder Undersøger man lyset fra fjerne galakser, viser det sig, at de alle bevæger sig væk fra os. Det kan man se på lyset, der ændrer bølgelængde, dvs. farve, når galaksen bevæger sig. Det kaldes dopplereffekten. Det er den effekt, som får lyden fra en ambulance, der kører forbi, til at ændre frekvens, dvs. tone. Men når alt bevæger sig væk fra os, må det tidligere have ligget tættere sammen. Astronomerne er i dag enige om, at Universet opstod for 13,7 milliarder år siden. Denne skabelse har fået navnet Big Bang. Fra et mikroskopisk lille univers er der siden sket en fort - sat udvidelse. Alt det, der i dag er galakser, stjerner og planeter, stammer fra den energi, som på en eller anden måde blev udløst ved Big Bang. Hvor kommer atomerne fra? Få sekunder efter Big Bang, blev de første atomkerner dannet. Og efter bare 10 minutter var dannelsen af atomkerner slut. Der fandtes næsten kun hydrogen- og heliumkerner, der er de to første grundstoffer i det periodiske system. Der gik nu omkring 400 millioner år, inden de første stjerner blev dannet som klumper af hydrogen og helium. Når disse klumper blev tilstrækkelig store, steg temperaturen i midten så meget, at to atomkerner, der ramte hinanden, kunne smelte sammen og blive til en større kerne. Der blev på den måde dannet kerner af grundstoffer med et højere nummer i det periodiske system. Gennem mange millioner år blev der nu dannet tungere kerner i stjernernes indre. Ved denne dannelse udvikledes energi, som fik stjernerne til at lyse. Når en stor stjerne, en sol, bliver gammel og har brugt sin energi, kan den falde sammen. I løbet af få sekunder skrum- 30

31 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD per stjernen til måske en tusindedel af sin oprindelige størrelse. Efter denne sammentrækning følger en voldsom eksplosion. På kort tid udsendes samme mængde energi, som stjernen har udsendt i hele sit foregående liv på måske en milliard år. Den eksploderende stjerne kaldes en supernova. Supernovaeksplosioner er sjældne i Mælkevejen, den ga - lakse Jorden befinder sig i. Her har der været kun været få supernovaer, som kunne ses uden kikkert. De seneste har været i 1054, 1181, 1574 og Ved en supernovaeksplosion bliver der så varmt i stjernens indre, at mange atomkerner smelter sammen til større. Alle det periodiske systems tunge grundstoffer dannes således i løbet af meget kort tid. De fleste af disse stoffer slynges ud i omgivelserne som støv, der senere kan blive en del af nye stjerner. Få minutter efter Big Bang dannedes de lette grundstoffer hydrogen og helium. Alle andre grundstoffer kommer fra stjernerne. Det er underligt at tænke på, at alle metaller her på Jorden er dannet i stjerner, der er forsvundet længe inden, vores stjerne, Solen, blev dannet. Guld og andre tunge grundstoffer er dannet i det korte øjeblik, hvor der sker en supernovaeksplosion. Mange af de stoffer, der blev dannet ved denne eksplosion, var radioaktive. De radioaktive stoffer, man finder på vores Jord, blev skabt i en stjerne, der eksploderede, længe inden Sol - systemet opstod. Astronomiske afstande I hverdagen kan næsten alle fænomener beskrives med afstande mellem millimeter og kilometer. Men disse enheder slår slet ikke til, når man begiver sig ud i Universet. Astronomerne bruger to længdeenheder, en astronomisk enhed og et lysår. En astronomisk enhed er afstanden fra Solen til Jorden. Den længdeenhed benyttes, når afstande i Solsystemet skal beskrives. Afstanden fra Jorden til Månen er 0,0026 astronomiske enheder. Afstanden fra Solen til den fjerneste planet, Neptun, er 30 astronomiske enheder. Et lysår er den afstand, lyset bevæger sig på et år. I Solsystemet er det ikke en fornuftig enhed. Fra Månen til Jorden bruger lyset kun 1,3 sekund, mens sollyset når os på lidt over 8 minutter. Tycho Brahe Tycho Brahe, dansk astronom ( ). Brahe beskrev supernovaen fra 1574 og viste, at den lå langt uden for Solsystemet. Gennem mange år foretog Brahe målinger af Mars position. Målingerne var med til at vise, at Solen er centrum i Solsystemet. Den astronomiske enhed og lysåret En astronomisk enhed er Jordens gennemsnitlige afstand fra Solen. Afstanden er 150 millioner kilometer eller m. Jordens omkreds er km. Det er næsten 4000 gange mindre end afstanden til Solen. Et lysår er den længde lyset bevæger sig på et år. Et lysår er 9, m. Det er ca. 60 tusind astronomiske enheder. 31

32 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD Afstand til Solen Afstand til Neptun Afstand til nærmeste stjerne Afstand til Mælkevejens centrum Afstand til nærmeste galakse Afstand til fjerneste galakse læ I denne figur bliver afstanden 10 gange større, hver gang man går en enhed ud ad aksen. Den afbildning er fornuftig at bruge for at vise de meget store afstande i Universet. Den nærmeste stjerne ligger 4,5 lysår fra Solen. Der er 13 milliarder lysår til de fjerneste galakser. Den gule stjerne ser ud, som om den har bevæget sig på det halve år, Jorden har brugt på turen omkring Solen. Stjernens afstand kan findes ud fra denne flytning. Afstanden til stjernerne Lukker man skiftevis det ene og det andet øje, ser man lidt forskellige billeder. Man ser på tingene i lidt forskellige retninger. Denne retningsforskel kan bruges, når afstanden til en stjerne skal findes. Fordi Jorden bevæger sig rundt om Solen, er retningen til en stjerne lidt forskellig, når astronomer med et halvt års mellemrum ser mod den. Forskellen i retningen er ikke stor. Den danske astronom Tycho Brahe mente ikke, at Jorden kunne bevæge sig rundt om Solen, fordi hans målinger ikke viste en retningsforskel til stjernerne. Brahe havde i 1590 ikke nogen kikkert. Det fik man først i Ingen kunne dengang tro, at stjernerne lå så langt fra Jorden, at retningen til dem ikke ændrede sig i løbet af året. I 1838 blev kikkerterne så gode, at afstanden til de nærmeste stjerner kunne findes ud fra ændringen i sigteretningen på et halvt år. I dag kan man på denne måde finde afstanden til de nærmeste stjerner i Mælkevejen. Afstanden til fjerne galakser findes på andre måder. En af måderne er at bruge dopplereffekten. Denne effekt siger noget om, hvordan farven af lyset ændrer sig, når stjernen bevæger sig. En stjernes fart er større, jo længere den er væk fra os. Dopplereffekten er derfor størst for de fjerneste stjerner. Kopiark 2.1 og

33 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD EKSPERIMENT Dobbeltstjerner Mange af stjernerne i Mælkevejen er dobbeltstjerner, dvs. to stjerner, der kredser rundt om hinanden. Stjernen i knækket på vognstangen i Karlsvognen er en dobbeltstjerne. Hvis planeten Jupiter havde været ca. 80 gange tungere, ville temperaturen i midten have været så stor, at Jupiter var blevet en lysende stjerne. Vi ville så have haft en lille og en stor sol på himlen. To små pærer sættes tæt sammen og tændes. I forskellige afstande undersøges, om pærerne ses som en eller to lysende pletter. Prøv igen, når pærerne rykkes tættere sammen. Prøv også om pærerne på lang afstand kan ses som to, når de betragtes gennem en kikkert. Kan man på lang afstand se, når den ene pære flyttes om bag den anden? En lang tur Inden for naturvidenskaben er det forkert at sige, at noget aldrig vil kunne foregå. Historien har vist, at fænomener, som man troede var umulige, alligevel lod sig gøre. Men det er trods alt meget usandsynligt, at fremmede solsystemer nogensinde vil få besøg af mennesker fra Jorden. Det er for lang en tur. Det hurtigste rumskib har bevæget sig med 15 km/s. Det hurtigste bemandede rumskib har haft en fart på 11 km/s. Selv om det skulle være muligt at opnå en fart, der er 100 gange større, vil en tur til den nærmeste stjerne vare mere end 100 år. Så det vil være oldebørn af astronauternes oldebørn, der engang i fremtiden ville komme tilbage til Jorden. Men computerstyrede robotter udstyret med forskellige måleinstrumenter vil måske kunne klare de lange afstande til fremmede solsystemer. Nyttige oplysninger Universet blev skabt ved Big Bang for 13,7 milliarder år siden. Universet har udvidet sig siden Big Bang, og det vil fortsætte med at udvide sig i lang tid. Alle hydrogen- og heliumkerner i Universet er skabt kort tid efter Big Bang. Når en stor stjerne har brugt de lette grundstoffer som brændstof, kan den falde sammen ved en supernovaeksplosion. Alle grundstoffer på Jorden, bortset fra hydrogen og helium, er skabt i det indre af stjerner, der nu er forsvundet. 33

34 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD Vind og vejr På turen fra verdensrummet og ned til os passeres atmosfæren, hvor vejret dannes. Temperatur, tryk og fugtighed i atmosfæren styrer vejret. Tør luft Fugtig luft 10 C 8 C 15 C For at vand kan fordampe, skal der tilføres energi. Den energi frigøres igen, når vanddampen bliver til væske. Når fugtig luft bevæger sig op, falder temperaturen, og vanddampen fortættes til regn. Når den tørre luft derefter bevæger sig ned på den anden side af bjerget, stiger temperaturen mere, end den faldt på opturen. Det skyldes, at der nu ikke længere er så meget vanddamp i luften. På den tørre side af bjerget kommer en såkaldt varm fønvind. Vejr og klima Luften over os er aldrig i ro. På steder, hvor Solen skinner, varmes luften op. Så bliver luften lettere, fordi den udvider sig ved opvarmningen. Den lette luft vil stige til vejrs. Nogle steder i luften fordamper vanddråber, andre steder fortættes vanddampen. Når vanddampen bliver til ganske små dråber, dannes skyer. Bliver dråberne store, kan det give regn. Klimaet før og nu og i fremtiden Der er ingen tvivl om, at temperaturen på Jorden i disse år er stigende. Mange mener, at stigningen er menneskeskabt. Den store udledning af CO 2 har øget drivhuseffekten, og det kan være årsagen til den globale opvarmning. I fortiden, hvor der ikke var nogen menneskeskabt udledning af drivhusgasser, har Jordens temperatur ændret sig tit og meget. Der har været perioder, hvor isen dækkede kloden helt til Ækvator. Disse perioder kaldes sneboldjorden. Der har også været perioder, hvor temperaturen har været meget højere end i dag. Istider, hvor store dele af kloden er isdækket, er tilsyneladende den mest almindelige situation. Istiderne kommer normalt med ca. 120 tusind års mellemrum. Derpå følger en varm periode, en mellemistid, på normalt tusind år. Den forrige istid sluttede for år siden, så vi lever antagelig i slutningen af en varm mellemistid. Man kan ud fra kilometerdybe iskerneboringer på Grøn - land og Antarktis sige noget om temperatur, nedbør og vindretning de sidste år. I sammenligning med denne lange periode har klimaet været usædvanlig stabilt i 1900-tallet. Klimaændringer som de nuværende er normale, når man ser på klimaet i en lang periode. Jordaksens hældning, Solens aktivitet og vores position i Mælkevejen er faktorer, der også påvirker klimaet. 34

35 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD Søbrise og landbrise På varme sommerdage med klart vejr blæser der ofte en svag vind fra vandområder ind mod land. Det kaldes en søbrise. Den kommer også på dage, der ellers er helt vindstille. Selv om solen skinner lige meget over land og vand, opvarmes jorden hurtigst. Det kræver nemlig mere energi at opvarme vand end at opvarme jord. Derfor stiger jordens temperatur hurtigere end vandets. Når landjorden opvarmes, vil luften over jorden også opvarmes og stige til vejrs. Der vil derfor trække en kølig vind fra vandområdet ind mod land. Det har altså også en fysisk årsag, når det er rart at være ved stranden på en varm dag. Søbrisen kommer normalt sidst på dagen, fordi der skal have været solskin i flere timer, før søbrisen kan dannes. Om natten er det lige omvendt. Temperaturen på landjorden falder hurtigere end i vandet. Derfor går den såkaldte landbrise den modsatte vej, fra land mod vand. Land Land Søbrise Landbrise Hav Hav Fronter giver nedbør Når en varm vind bevæger sig mod et område med kold luft, opstår en varmfront. Det er grænsen mellem den varme og kolde luft. Når en kold vind bevæger sig mod et område med varm luft, opstår en koldfront. Luften bliver ikke blandet ved fronterne. Den kolde luft er tungest og vil derfor trænge ind under den varme luft, der skubbes op. Herved falder temperaturen i den varme luft, så den ikke kan rumme så meget vanddamp som før. Dampen fortættes og falder som regn. Når en front passerer Danmark, kommer der ofte regnvejr. Tryk Luftens tryk er normalt pascal. Trykenheden pascal forkortes Pa. Massen af luften over en kvadratmeter på jordoverfladen er omkring kg eller 10 ton. Lufttrykket svarer til vægten af den luftsøjle, der findes over netop en kvadratmeter på jorden. Et tryk er størrelsen af kraften pr. areal. Luftens tryk er altså omkring newton pr. kvadratmeter. Højtryk og lavtryk Vejret afhænger meget af lufttrykket. Det kan variere mellem ca Pa og Pa. Omkring et område med lavt tryk, et lavtryk, er der vinde. Luft fra omgivelserne vil søge mod områder med lavtryk, men luften bevæger sig ikke lige mod lavtrykkets centrum. Luften ved overfladen bevæger sig rundt om lavtrykket. Står man med ryggen mod vinden, ligger lavtrykket lidt fremad og til venstre. Denne spiralbevægelse skyldes Jordens rotation. På den sydlige halvkugle bevæger vinden sig den modsatte vej rundt om et lavtryk. Når der er højtryk i Danmark om sommeren, bliver vejret 35

36 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD varmt og solrigt. Om vinteren giver højtryk normalt klart vejr med frost. Kopiark 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7 og 2.8 Vinden bevæger sig rundt om lavtryk. Lige midt i et lavtryk er der ingen vind. Vindens fart/ (m/s) 0-0,2 0,3-1,5 1,6-3,3 3,4-5,4 5,5-7,9 8,0-10,7 10,8-13,8 13,9-17,1 17,2-20,7 Betegnelse Stille Næsten stille Svag vind Let vind Jævn vind Frisk vind Hård vind Stiv kuling Hård kuling Det føles koldt, når vinden blæser I vejrudsigten kan man om vinteren fx høre, at temperaturen vil blive 5 C, men at det vil føles som 16 C. Det skyldes chill-effekten. Ordet chill er engelsk og betyder afkøle. Står man udenfor en vinterdag, hvor det er blæsevejr, vil kroppen afgive mere varme til luften, end på dage med vindstille. Når kroppen afkøles af blæsten, føler man, at det er koldere, end termometret viser. Dette forhold kaldes chill-effekten. I stille vejr vil luften tæt ved kroppen isolere, så kroppen kun afgiver lidt varme til omgivelserne. Når denne isolering blæses væk, vil kroppen afgive mere varme. Så føles det koldere. Når vindens fart er 6 m/s, dvs. jævn vind, vil en lufttemperatur på 5 C føles, som om temperaturen var 16 C. En dyne af skyer I klart vejr uden skyer vil Solens stråler nå ned til jorden, der bliver varmet op. Men energien går også den anden vej. Om natten stråler jorden energi op mod himlen. Så falder temperaturen på overfladen. Er der skyer, vil de ligge som en dyne, der mindsker udstrålingen. Når skyerne mangler, er udstrålingen stor. Derfor bliver det meget koldt på stjerneklare nætter om vinteren. Kopiark 2.9 og ,8-24,4 24,5-28,4 28,5-32,6 Over 32,7 Stormende kuling Storm Stærk storm Orkan Vejrudsigter og sommerfugle På meteorologiske stationer overalt på kloden måles temperatur, tryk og vindhastighed. Flere steder sendes hver dag balloner op gennem atmosfæren for at lave målinger i forskellige højder. Der foretages radarmålinger, der kan vise, hvor der falder nedbør. Satellitter kredser omkring Jorden og sender billeder af skyernes bevægelse og målinger af jordoverfladens temperatur ned til meteorologerne. I store computere benyttes alle disse oplysninger til at forudsige vejret. Normalt er meteorologerne dygtige til at lave rigtige forudsigelser. De seneste år er de programmer, der bruges til beregningerne, blevet bedre og bedre. Men der kan dog 36

37 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD Chill-effekten EKSPERIMENT Et stillestående luftlag omkring kroppen virker varmeisolerende. Når dette luftlag blæses væk, føles temperaturen pludselig anderledes. Undersøg, hvordan temperaturen vokser eller falder i de tre forskellige situationer. Forklar, hvorfor termometrene ikke viser samme temperatur. Stik et termometer ned i et reagensglas, der er spændt fast i et stativ. Anbring et andet termometer lige ved siden af reagensglasset. Efter kort tid vil de to termometre vise samme temperatur. Blæs varm luft fra en hårtørrer mod de to termometre. Spænd to termometre op ved siden af hinanden i et stativ. Bind et stykke køkkenrulle fugtet med sprit om det ene termometer. Blæs kold luft fra en hårtørrer mod de to termometre. Spænd to termometre op ved siden af hinanden i et stativ. Et metalbæger med hank fyldes med kogende vand. Hold bægret, så termometrene er nede i vandet. Fjern bægret, og tør termometrene med et stykke køkkenrulle. Bind et tørt stykke køkkenrulle om det ene termometer. ikke laves sikre udsigter mere end fire-fem dage frem. Vejret er et kaotisk system. Selv hvis man på et bestemt tidspunkt kendte alt om vejret overalt på Jorden og i atmosfæren, er det ikke muligt at lave langtrækkende forudsigelser. En meteorolog prøvede i 1961 at lave to beregninger af det kommende vejr i sin computer. I den ene beregning havde en af hans målinger værdien 0, I den næste beregning brugte han den forkortede værdi 0,506 i stedet. Forudsigelsen af vejret var helt forskellig i de to tilfælde. Denne effekt kaldes sommerfugleeffekten efter titlen på et foredrag, som meteorologen senere holdt. Titlen var: Does the flap of a butterfly's wings in Brazil set off a tornado in Texas? (Kan en tornado dannes over Texas, fordi en sommerfugl slår med vingerne i Brasilien?) Fordi vejret opfører sig kaotisk, er det ikke muligt at lave troværdige vejrudsigter, der går mange dage frem. Nyttige oplysninger Vejret bestemmes af temperatur, vind, luftfugtighed og skydække. Klimaet er områdets gennemsnitlige vejr i en længere årrække. Varm- og koldfronter opstår, når varm og kold luft mødes. 37

38 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD Jorden under dig Jorden blev skabt som en glødende kugle, da Solsystemet blev dannet for lidt over 4,5 milliarder år siden. Efter et par hundrede millioner år blev Jorden så kold, at der kunne være vand og dermed liv på overfladen. Jordens historie har været præget af mange omvæltninger. Og Jorden er endnu ikke faldet til ro. Selv om vi føler, at vi lever i en stabil periode, er der en fortsat udvikling med store ændringer, både på overfladen og dybt under jorden. En gejser sprøjter med regelmæssige mellemrum en stråle af vand højt op i luften. Gejsere findes, som denne i Island, på steder, hvor der i den varme undergrund er vandfyldte hulrum. Jorden brænder For hver kilometer man bevæger sig ned under Jordens overflade, stiger temperaturen i gennemsnit næsten 25 C. Den temperaturstigning fortæller, at der strømmer energi i form af varme op fra Jordens indre. I Danmark kommer der kun lidt energi op fra undergrunden. For at holde en 60 watt pære tændt, skal man udnytte al energi fra mere end 1000 m 2. Nogle steder, hvor der er vulkansk aktivitet, fx i Island, er undergrunden meget varmere. Her kan man nemt udnytte varmt vand fra undergrunden til boligopvarmning. Verdens dybeste mine ligger i Sydafrika. Guldminen Tau - Tona er 3,9 km dyb. Arbejderne skal bruge en time for at kom - me ned og derefter ud i minegangene. Der er meget varmt i minen. Stenenes temperatur er 60 C. Verdens dybeste hul er boret på Kolahalvøen i Rusland. Hullets dybde er 12,262 km. Her er temperaturen 180 C. Ingen ved præcist, hvad temperaturen er i Jordens centrum. Temperaturen er et sted mellem 4000 og 7000 C. Når der hele tiden strømmer energi væk fra Jordens indre, vil temperaturen falde. Man kan regne ud, at fra en tilstand, hvor hele Jorden fra yderst til inderst havde temperaturen 4000 C, vil der gå omkring et par hundrede millioner år, før temperaturen af hele Jorden ville være omkring 20 C. Men Jorden er 20 gange ældre. Indtil omkring år 1900 kunne man ikke forklare den høje temperatur i Jordens indre. Problemet blev løst, da de radioaktive stoffer blev opdaget. Selv om der ikke er mange radioaktive stoffer i Jordens indre, er energien fra dem alligevel nok til, at temperaturen i milliarder af år vil være så høj, at der er flydende stoffer i Jorden. 38

39 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD Jorden svømmer Ser man på formen af Afrika og Sydamerika er det en nærliggende tanke, at disse verdensdele tidligere har hængt sammen. Denne tanke blev fremsat af den tyske geolog Alfred Wegener i 1915, men først 40 år senere blev man i stand til at måle, at ideen, den såkaldte kontinentalforskydning, var korrekt. Det viser sig, at der på overfladen af vores klode svømmer syv store og nogle mindre plader. Pladerne er i gennemsnit 70 km tykke. De flyder oven på et tungere og varmere lag. Pladerne bevæger sig langsomt med en fart på 1-10 cm/år. Men det kan blive til store flytninger på et par millioner år. Danmark ligger på Den Eurasiske Plade. Navnet er en sammentrækning af Europa og Asien. Vores plade flytter sig hvert år ca. 1,5 cm væk fra Den Nordamerikanske Plade. Den afstand kan bl.a. bestemmes med nøjagtige GPS-målinger. Den plade, Australien ligger på, har særlig stor fart. Australien bevæger sig mod Hawaii med næsten 10 cm/år. Jorden skælver Når kontinentalpladerne støder sammen, fjerner sig fra hinanden eller glider langs hinanden, opstår spændinger, der på et eller andet tidspunkt vil udløse et jordskælv. I Danmark bor vi langt fra kanten af vores plade. Derfor er der kun få og små jordskælv hos os. Men i områder ved randen af pladerne er der hyppige og kraftige jordskælv. Jordskælv måles med seismografer, der består af en tung klods, der er hængt op i fjedre, så den kan bevæge sig op og ned og fra side til side. Klodsen hænger normalt i hvile i forhold til den kasse, den er ophængt i. Men ved et jordskælv, bliver klodsen hængende på samme sted, mens Jorden og kassen flytter sig. Ved at måle klodsens bevægelse i forhold til kassen, får man et billede af, hvordan Jorden ryster. Rundt på Jorden findes præcise seismografer, der kan måle rystelserne fra nære og fjerne jordskælv. Rystelserne bevæger sig som bølger både langs overfladen og lige gennem jordkloden. Derfor kommer bølgerne på forskellige tidspunkter til de mange seismografer. Ved at sammenligne ankomsttidspunkterne, kan jordskælvsforskerne, seismologerne, bestemme nøjagtigt, hvor jordskælvet var. Kopiark 2.11 Flydende kerne Kappe Fast kerne Jordens kerne Jordens indre er delt i forskellige områder. I midten er en fast kerne med et stort indhold af jern og nikkel. Her er temperaturen som på Solens overflade. Uden om den faste kerne er der en varm, flydende kerne. Jordens magnetfelt dannes af strømme i dette område. Aller yderst glider kontinental - pladerne meget langsomt rundt på Jorden. Nyttige oplysninger Temperaturen stiger, jo mere man nærmer sig Jordens centrum. Temperaturen er høj i Jordens indre, fordi der foregår radioaktive henfald. Målinger af rystelserne fra jordskælv afslører opbygningen af Jordens indre. 39

40 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD Seismograf Et tungt lod hænges op i en snor. Tre kraftige, vandrette fjedre holder loddet fast. Spidsen af en speedmarker, der er tapet fast på loddet, rører netop bordet under loddet. Når et stykke papir hurtigt trækkes væk under loddet, kommer en streg uden svingninger. EKSPERIMENT Lav nu et jordskælv ved fx at hoppe på gulvet, sparke til bordet eller slå på bordet med en bog. Hver gang trækkes et papir væk under loddet. Er der forskel på seismogrammerne fra jeres forskellige jordskælv? Jordens faste kerne Inge Lehmann, dansk seismolog ( ). Inge Lehmann opdagede, at Jorden har en fast indre kerne. Det beskrev hun i en artikel med vist verdens korteste overskrift, nemlig P I. Bogstavet P henviser til en bestemt type jordskælvsbølger. Lehmann var 99 år gammel, da hun skrev sin sidste videnskabelige artikel. Jordens skaller Målinger af jordskælvsbølger har vist, at Jordens indre består af flere skaller. Det blev opdaget, fordi jordskælvsbølgerne bevæger sig med forskellig fart i skallerne. Ved at måle formen og ankomsttidspunkterne for svingningerne fra fjerne jordskælv, fandt man størrelsen af skallerne i Jordens indre. Den danske seismolog Inge Lehman arbejdede med disse emner. Hun kunne i 1936 vise, at der inderst i Jorden er en fast kerne omgivet af en flydende kerne. Indtil da havde alle troet, at midten af Jorden på grund af den høje temperatur måtte være flydende. Nogle typer jordskælvsbølger kan ikke bevæge sig i flydende stoffer. Det benyttede Inge Lehmann til at vise, at der 5120 km under Jordens overflade er en grænse mellem faste og flydende stoffer. Inge Lehmann var et beskedent menneske, der levede i en tid og i et miljø, hvor kvindelige naturforskere ikke blev værdsat. I Danmark var hun ikke kendt uden for en snæver kreds af jordskælvsforskere. Hendes opdagelse er dog på niveau med de arbejder, der belønnes med Nobelprisen. 40

41 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD Fra dig til atomerne Mens verdensrummet indeholder store masser, lange tidsrum og store afstande, er atomernes verden lige omvendt. Her er alt let, hurtigt og småt. Med øjnene kan man se ting, der har en størrelse ned til ca. 0,1 mm. Med et mikroskop kan man se ting, der er 250 gange mindre. Men atomerne kan man ikke se. De er mange tusind gange mindre end det, der kan ses i et mikroskop. Men med nye mikroskoper, der ikke benytter lys, er det i dag muligt at se atomerne. Mikroskoper Mikroskopet har været kendt i 400 år. Biologerne opdagede en helt ny småtingsverden, da de første mikroskoper blev taget i brug. En masse mikroorganismer kunne pludselig ses. Celler, der delte sig, blodlegemer og amøber var nogle af de ting, mikroskoperne gav mulighed for at studere. Celler har netop den størrelse, som kan ses i mikroskoper. Moderne mikroskoper benytter bestemte farver lys, særlige filtre og andre fif, men det er dog ikke muligt at se genstande, der er meget mindre end lysets mindste bølgelængde på 400 nanometer (0,4 tusindedele millimeter). Kopiark 2.12 I denne figur bliver afstanden 10 gange større, hver gang man går en enhed ud ad aksen. Den afbildning er fornuftig at bruge, når man på samme figur skal vise både små og store afstande. Med elektronmikroskoper får man en spændende indsigt i udseendet af mange små dyr. Billedet viser en væggelus. 41

42 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD Disse krystaller af salt har form som terninger. Atomerne i saltet sidder i et krystalgitter, der også har form som en terning. Atomart mikroskop Den tynde spids bevæger sig hen over prøven. På sonden sidder nogle materialer, der hele tiden regulerer sonden op og ned, så spidsen holder samme afstand til prøven. Sondens flytning registreres. Flytningen giver et billede af prøvens overflade. Elektronmikroskoper Almindelige mikroskoper, såkaldte lysmikroskoper, bruger lys, der afbøjes i linser. På tilsvarende måde kan man bygge elektronmikroskoper, hvor en stråle af elektroner afbøjes af elektriske felter. Elektronmikroskoper har været kendt siden De er i tidens løb blevet udviklet, så de kan vise mindre og mindre genstande. Det er i dag muligt at vise ting, der er ca gange mindre end det, der kan ses i de bedste lysmikroskoper. Elektronmikroskoper skal bruge meget høje spændinger. Nogle af de største sætter elektronerne i bevægelse med en spænding på en halv million volt. Atomare mikroskoper I faste stoffer sidder atomerne i et bestemt mønster. Atomerne kan opfattes som punkter i hjørnerne af et gitter. Man kalder disse mønstre for krystalgitre. Mange mineraler danner smukke krystaller, der har samme form som det krystalgitter, atomerne sidder i. Vinklerne mellem siderne i krystallerne er de samme som vinklerne i krystalgitret. I 1986 fik tyskeren Gerd Binnig og schweizeren Heinrich Rohrer Nobelprisen i fysik. De havde fem år tidligere opfundet en ny mikroskoptype, der gjorde det muligt at se, hvordan de enkelte atomer sidder i et krystalgitter. Dette mikroskop virker efter et nyt princip. En tynd metaltråd knækkes, så den får en meget lille spids. Spidsen anbringes lige over en overflade, men uden at røre den. Spidsen sidder på en holder, hvis længde kan ændres ganske lidt ved at sætte spænding på nogle såkaldte piezo-elektriske materialer. Selv om der er et ganske lille mellemrum mellem spidsen og den prøve, som skal undersøges, kan der alligevel løbe en lille strøm mellem spids og prøve. Størrelsen af strømmen afhænger af afstanden mellem spids og prøve. Et elektronisk kredsløb sørger for at hæve og sænke spidsen, så der hele tiden løber samme strøm. Ved at bevæge spidsen langsomt hen over prøven, får man et billede af overfladen. Det viser sig, at spidsen bevæger sig hen over buler i overfladen. Det er de enkelte atomer. Med denne metode er det muligt præcist at bestemme placeringen af atomerne. Der er senere lavet andre typer af dette mikroskop. Blandt 42

43 KAPITEL 2 HIMMEL OG JORD EKSPERIMENT Små atomkerner I 1911 undersøgte Rutherford og hans medarbejdere, hvad der skete, når alfapartikler blev sendt ind mod et guldfolie. Disse eksperimenter kan demonstreres med Rutherfords bro. Tril kugler under broen. Trillede kuglerne lige gennem broen? Hvor tit kunne I se eller høre, at kuglerne ramte noget under broen? Bredden af broen kan opfattes som bredden af et atom. Ved eksperimentet har I undersøgt, hvor meget atomkernen fylder i atomet. Ved at regne på hvor tit alfapartikler blev afbøjet, og på hvor stor afbøjningen var, fandt Rutherford ud af, at atomkernen er ca gange mindre end selve atomet. andet kan man med spidsen af sonden skubbe til og derved flytte enkelte atomer. Denne teknik kan i fremtiden føre til store fremskridt, da moderne mikroelektronik og nanoteknologi netop består i at arbejde på mininiveau, helt ned til de enkelte atomer. Der er en endnu mindre verden Lys opstår, når elektroner falder ned i en bane tættere ved kernen. Med en lille energimængde har man først skubbet elektronen længere væk fra kernen. Hvis man vil undersøge forholdene i atomkernen, skal der arbejdes på samme måde. Men den energi, der skal bruges for at ændre forholdene i kernen er langt større. Atomkernen holdes nemlig sammen af meget større kræfter, end de der holder elektronerne i deres baner omkring atomkernen. Hvad der findes inde i neutroner og protoner, er endnu ikke kendt. Fysikerne har forskellige antagelser, men de eksperimenter, der kan be- eller afkræfte antagelserne, er svære at udføre. Det kræver ufattelig store energimængder, at se ind i de partikler, der danner atomkernerne. Overfladen af guld set med et atomart mikroskop. Nyttige oplysninger Med almindelige mikroskoper kan man se ting, der cirka er lige så store som lysets bølgelængde. Med atomare mikroskoper kan man se, hvorledes de enkelte atomer ligger på en overflade. I faste stoffer sidder atomerne i et bestemt mønster, et krystalgitter. 43

44 CAFE KOSMOS SORTE HULLER OG MØRKT STOF I 1054 så kinesiske astronomer en supernova. I dag ses det materiale, som supernovaen har spredt ud i Universet. Med store teleskoper kan astronomer se milliarder af stjerner og galakser. Men de ser kun en ganske lille del af Universet. Langt det meste i Universet kan nemlig slet ikke ses. Der findes sorte huller, der er så tunge, at lyset fra dem ikke kan undslippe. Og der findes mørk masse, der er en ukendt type stof, som er overalt, men som ikke kan ses. Universet rummer stadig mange hemmeligheder. ET TUNGT HIMMELLEGEME Ser man på et billede af en spiralgalakse, får man indtryk af, at den roterer. Galaksen ligner lidt den hvirvel, der kommer i vandet, når proppen trækkes op af en fyldt håndvask. Galaksen ligner også den måde, luften bevæger sig på i nærheden af høj- eller lavtryk. Ved at måle de enkelte stjerners fart, kan det ses, at alle stjerner i galaksen bevæger sig rundt om galaksens centrum. I Solsystemet bevæger alle planeter sig rundt om Solen. Det er tiltrækningskraften fra Solen, der holder planeterne i deres næsten cirkelformede baner. Kender man en planets omløbstid og afstand fra Solen, er det muligt, 44 at beregne Solens masse. På samme måde kan man i en galakse bestem - me den masse, der sidder i midten, og som er årsag til stjernernes cirkelbevægelse. Solen og dermed også Jorden ligger ca lysår fra Mælke ve - j ens centrum. Solen er 220 millioner år om en hel tur rundt i Mælk e - vejen. Solens fart rundt i Mælk e - vejen er lidt over 1000 km/s. Den høje fart mærker vi ikke. Det ene - ste man kan mærke er nemlig æn - dringer i farten. Mælkevejen er ufattelig stor. Fore - stiller man sig, at Mælkevejen havde en radius på 50 meter, ville Solsystemet have en størrelse, der er mindre end millimeter. Det svarer til et lille sandkorn. Og sandkornet ville ligge 26 meter fra centrum. I denne model ville Mælkevejen være en skive med en tykkelse på ca. 1 meter. Ved at se på bevægelsen af stjerner tæt på Mælkevejens centrum har astronomer vist, at der i centrum ligger noget voldsomt tungt. Der er ikke noget at se, men der må være et himmellegeme med en masse, der er fire millioner gange større end Solens. Skal massen angives i kilogram, er det et tal med 37 cifre. I øvrigt er Solens masse gange større end Jordens masse.

45 CAFE KOSMOS vige skal være større end lysets fart, km/s. Vi har en erfaring med lys som noget, der bevæger sig i en ret linje. Men lys bliver tiltrukket af store masser. Man kan se, at en lysstråle fra en fjern stjerne bliver afbøjet en lille smule, når strålen passerer tæt forbi en anden stjerne på vej ned til Jorden. MØRKT STOF Astronomer har mange uløste problemer. Man kan ud fra galaksernes bevægelse finde ud af, hvor meget masse, der er i hele Universet. Det viser sig, at stjerner, sorte huller, neutronstjerner og andre himmellegemer har en masse, der kun er omkring 4 % af Universets samlede masse. Spiralgalakse Det tunge himmellegeme i Mælke - vejens centrum kaldes et sort hul. Det er dog nærmest en dværg i forhold til andre galaksers tunge legeme. Der findes galakser, hvor det sorte hul i centrum er flere tu - sind gange tungere end det i Mæl - kevejen. SORTE HULLER Når man kaster noget op i luften, kommer det ned igen. På Månen er tyngdekraften seks gange mindre end på Jorden. Ting, som en astronaut giver slip på, falder langsommere ned, end her på Jorden. Ved overfladen af et sort hul er tyng - dekraften derimod ufattelig stor. Ting der falder, vil bevæge sig mange millioner gange hurtigere end på Jorden. Der trækkes så stærkt, at alle molekyler bliver revet over. For at en raket kan slippe bort fra Jorden skal den have en fart, der er over 11 km/s. En raket, der skal starte fra Månen, kan nøjes med en fart på lidt over 2 km/s, fordi tyng - dekraften på Månen er mindre end på Jorden. I et sort hul er tyng de - kraften så stor, at farten for at und- Lys fra et sort hul bliver tiltrukket så meget af det sorte hul, at det slet ikke kan komme væk. Derfor ser astronomer intet, når de retter deres teleskoper mod et sort hul. Hullet kan bl.a. opdages ved at se på, hvorledes stjerner i nærheden bevæger sig. NEUTRONSTJERNER Når en stjerne med en masse, der er mere end otte gange større end Solens masse, bliver gammel og har brugt sit brændstof op, kan den falde sammen i en supernova - eksplosion. Ved denne voldsomme begivenhed sendes mange tunge grundstoffer ud i Universet, hvor de en gang i fremtiden kan indgå i nye stjerner og planeter. Resterne af stjernen er efter supernovaeksplosionen blevet meget lille. Den kaldes en neutronstjerne. Dens radius er kun omkring 10 km. Den lille neutronstjerne har i midten en densitet, der er milliarder gange større end granits. Det ville svare til, at en terning på bare 1 kubikcentimeter af stoffet fra neutronstjernen ville have en masse omkring ton. Det er langt mere end massen af en supertanker. Hvis supernovaeksplosionen foregår i meget store stjer - ner, falder de sammen til et sort hul. 45 Astronomer kalder den manglende masse for mørkt stof. Ingen ved i 2009, hvad dette stof er lavet af. Måske findes der en ukendt lille atomar partikel, som ikke kan ses, fordi den ikke udsender nogen form for stråling. Hvis der i hver kubikmeter af det, der ellers er det tomme rum mellem galakserne, bare befinder sig et par af disse ukendte mørke partikler, kan beregningerne om Universet kom - me til at stemme. I 2013 opsendes Webb-teleskopet. Med dette teleskop 1,5 million km over Jorden, får astronomerne nye muligheder for at finde svarene på Universets mange gåder.

46 DET VED DU NU OM HIMMEL OG JORD FRA UNIVERSET TIL DIG JORDEN UNDER DIG Temperaturen stiger, jo mere man nærmer sig Jordens centrum. Temperaturen er høj i Jordens indre, fordi der foregår radioaktive henfald. Målinger af rystelserne fra jordskælv afslører opbygningen af Jordens indre. Universet blev skabt ved Big Bang for 13,7 milliarder år siden. Universet har udvidet sig siden Big Bang, og det vil fortsætte med at udvide sig i lang tid. Alle hydrogen- og heliumkerner i Universet er skabt kort tid efter Big Bang. VIND OG VEJR Når en stor stjerne har brugt de lette grundstoffer som brændstof, kan den falde sammen ved en supernovaeksplosion. Alle grundstoffer på Jorden, bortset fra hydrogen, er skabt i det indre af stjerner, der nu er forsvundet. Vejret bestemmes af tempe - ratur, vind, luftfugtighed og skydække. Klimaet er områdets gennemsnitlige vejr i en længere årrække. FRA DIG TIL ATOMERNE Med almindelige mikroskoper kan man se ting, der cirka er lige så store som lysets bølgelængde. Med atomare mikroskoper kan man se, hvorledes de enkelte atomer ligger på en overflade. I faste stoffer sidder atomerne i et bestemt mønster, et krystalgitter. Varm- og koldfronter opstår, når varm og kold luft mødes. 46

47 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Hvad er Big Bang? Hvad er kontinentalforskydning? Hvad er sommerfugleeffekten? Hvad er en astronomisk enhed? Hvor længe er lyset fra Solen om at komme ned til Jorden? Hvad er en supernova? Hvorfor stiger temperaturen, når man bevæger sig ned i dybe miner? Hvordan virker en seismograf? Hvorfor blæser der tit en kølig vind ind fra havet om aftenen? Hvad er forskellen på vejr og klima? UDFORDRING Forklar, hvorfor astronomerne ikke kan se et sort hul. Hvorfor kan man sidde i en sauna ved 80 C uden at blive forbrændt? Hvordan kan astronomer se, at Universet udvider sig? Hvorfor er forholdet mellem en ternings overfladeareal og dens rumfang større for små end for store terninger? Hvordan virker et atomart mikroskop? 47

48 KAPITEL 3

49 Energi på vej INDUKTION ENERGIFORSYNING BRINTSAMFUNDET ANVENDELSER AF INDUKTION CAFE KOSMOS: SIKKERHEDSTJEK I LUFTHAVNEN Jorden sveder. Efter 1990 har der været store ændringer i Jordens klima. En del af disse ændringer skyldes antagelig stoffer, som vi har ledt ud i atmosfæren. For at mindske denne udledning, er det nødvendigt at gå over til vedvarende energiformer. Det er også nødvendigt for at undgå rovdrift på de stoffer i undergrunden, som naturen har været mange millioner år om at opbygge. Fremtidens samfund vil få sin energi fra Solen. Direkte som solstråling eller indirekte fra vinden. Nye brændstoffer skal udvikles. Måske er vi på vej mod et brintsamfund, hvor hydrogen erstatter benzin og olie som brændstof. Måske vil fremtidens køretøjer benytte brændselsceller i stedet for benzin- og dieselmotorer. Hvordan laver man hydrogen af vand? Hvad er en transformer? Hvorfor bruger man højspænding, når el-energi skal transporteres langt? Hvordan virker et induktionskomfur? Hvad er en brintbil? 49

50 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Induktion På kraftværkerne omdannes den kemiske energi i brændstofferne til elektrisk energi. Vindmøllerne omdanner vindens bevægelsesenergi til elektrisk energi. Både i kraftværker og vindmøller skabes den elektriske strøm i generatorer, der udnytter en særlig egenskab ved magnetismen: Når et magnetfelt ændres, opstår en elektrisk spændingsforskel. Dette fænomen kaldes induktion. Strømmen i ledningen skaber et magnetisk felt, der påvirker magnetnålene. De vil stille sig i magnetfeltets retning. Den magnetiske kraft har en retning, som er vist med pilene. Faradays eksperiment Når afbryderen i toppen til højre trykkes ned, skaber strømmen fra batteriet et magnetfelt i den sorte jernring. Dette magnetfelt inducerer en strøm i spolen i venstre side af jernringen, så der opstår et magnetfelt omkring kompasset. Strømme og magnetiske felter I 1820 viste danskeren H.C. Ørsted i et berømt eksperiment, at en elektrisk strøm påvirker en magnetnål. Det sker, fordi den elektriske strøm skaber et magnetfelt. Løber der en strøm i en spole, vil der inde i spolen være et større magnetisk felt, end hvis strømmen løb i en lige ledning. Det er fordi, alle vindinger i spolen laver et magnetisk felt i samme retning. På samme måde som det magnetiske felt fra en strømførende ledning påvirker en magnetnål, vil et magnetisk felt virke med kræfter på en strømførende ledning, der er i feltet. Efter Ørsteds opdagelse arbejdede mange naturforskere med de nye kræfter. Når en elektrisk strøm kunne skabe et magnetisk felt, burde et magnetisk felt også kunne lave en elektrisk strøm. På det tidspunkt blev elektrisk strøm lavet i batterier. De var ikke var særlig effektive, så mange naturforskere var på jagt efter en ny og bedre strømkilde. Induktionen opdages I 1831, 11 år efter at Ørsted havde gjort sin opdagelse, foretog englænderen Michael Faraday et eksperiment, der skulle få ufattelig stor betydning. Faraday viste, hvordan en magnets bevægelse kunne frembringe en elektrisk spændingsforskel i en ledning. Omkring en ring af jern havde Faraday viklet to spoler. Den ene spole var i forbindelse med et batteri. Ledningen i den anden spole gik omkring et kompas. Hvis magnetnålen i kompasset bevægede sig, måtte der være en magnetisk kraft. Når Faraday tændte eller slukkede for strømmen gennem den 50

51 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ første spole, slog magnetnålen ud. Til den ene side, når der blev tændt, og til den anden side, når der blev slukket. Det var et overraskende fænomen. Hvordan kunne der løbe en strøm i en ledning, der ikke var i forbindelse med et batteri? Årsagen måtte være det magnetfelt, som den første spole dannede. Det frembragte i jernringen et magnetfelt, som skabte en strøm i den anden spole. Der løb kun strøm, mens magnetfeltet ændrede sig. Mange naturforskere havde prøvet tilsvarende eksperimenter, men Faraday var den første, der opdagede, at det kun var, mens strømmen startede eller stoppede, at der opstod en elektrisk strøm i den anden spole. Fænomenet blev kaldt induktion. Ordet stammer fra latin og betyder indføre. Når et magnetfelt ændrer sig, opstår der en spændingsforskel i en ledning, der er i magnetfeltet. Spændingsforskellen afhænger af, hvor hurtigt magnetfeltet ændrer sig. En hurtig og stor ændring af magnetfeltet skaber en stor spændingsforskel. Det kaldes induktions loven. Kopiark 3.1 Flere induktionseksperimenter Faraday udførte kort tid efter et andet eksperiment. Mens han skubbede en stangmagnet ind i en spole, løb der en elektrisk strøm gennem spolen. Når magneten blev trukket ud, løb strømmen den modsatte vej. Induktionen opdages Michael Faraday, engelsk fysiker og kemiker ( ). Faraday opdagede i 1831, at der opstod et magnetisk felt i en spole, når han startede eller afbrød en elektrisk strøm i en anden spole. Der opstod ikke noget magnetisk felt, mens strømstyrken i den første spole var konstant. Denne effekt blev kaldt induktion. Faraday interesserede sig ligesom Ørsted for sproget. Han indførte bl.a. ordene ion, electrode (elektrode) og electrolyte (elektrolyt). Når magnetfeltet i en spole ændrer sig, opstår en spændingsforskel mellem spolens ender. Når magneten sættes ned i spolen, slår visereren på strømmåleren ud til den ene side. Når magneten derefter trækkes op, slår viseren ud til den anden side. 51

52 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Mens magneten føres ind i spolen, vokser det magnetiske felt i spolen. Induktionsloven fortæller, at der opstår en spændingsforskel mellem spolens ender, når magneten bevæger sig ind i spolen. En bevægelse kan altså skabe en elektrisk strøm. Denne opdagelse fra 1831 kom til at ændre verden. Naturen gør modstand Det er et grundlæggende princip inden for mange områder, at naturen gør modstand mod ændringer. Et indgreb i et system i ligevægt vil skabe en ændring, der modvirker indgrebet. En spole vil gøre modstand, når en magnet nærmer sig. Spolen vil svare med en spændingsforskel. Herved opstår en strøm i spolen, der vil danne et magnetfelt i modsat retning af magnetens. Dette inducerede magnetfelt vil påvirke magneten med en kraft, der forsøger at skubbe magneten ud. Den viden kan bruges, når man skal finde retningen af strømmen i spolen. Når magneten trækkes ud, forsvinder magnetfeltet. Spolen vil så svare med en strøm i den modsatte retning. Denne strøm danner et magnetfelt, der forsøger at opretholde magnetfeltet fra magneten. Anvendelse af induktion Udnyttelse af induktion har betydet store fremskridt i menneskenes muligheder. I næsten alle elektroniske apparater findes komponenter, hvor der foregår induktion. Alle steder, hvor kraftværker eller vindmøller laver elektrisk energi, udnyttes induktionen. Induktion Mens magneten skubbes ind i spolen, induceres en elektrisk spænding. Når magneten er i hvile, skaber magnetfeltet ikke nogen spændingsforskel. Først når magneten igen trækkes ud af spolen, opstår en spændingsforskel. Fortegnet er det modsatte af fortegnet i første del af eksperimentet. Generatoren På kraftværker og i vindmøller laves den elektriske strøm i gene ratorer. I generatoren roterer en spole i et magnetfelt. Det betyder, at der gennem spolen hele tiden vil være et magnetfelt, der vokser eller aftager. I spolens vindinger bliver altså induceret en spænding, der bølger op og ned. Nogle kontakter sørger for, at strømmen fra generatoren kan komme videre til forbrugerne. I store generatorer findes der dog ikke faste magneter. Magnetfeltet dannes i stedet af noget af den strøm, som induk - tionen fremkalder, så i virkeligheden har generatorerne et mere kompliceret udseende end på figuren. 52

53 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Jern N S Jern N S ~ Vekselspænding Den bølgende spænding kaldes en vekselspænding. Den følger farten af omdrejningerne i generatoren. Spændingen fra kraftværkerne svinger med frekvensen 50 Hz, dvs. der er 50 bølgetoppe og 50 bølgedale hvert sekund. Transformeren En transformer er en komponent, der kan ændre spændingsforskelle og strømstyrker. En transformer er opbygget som i Faradays første eksperiment. På en ring af jern er viklet to spoler. En strøm gennem den ene spole skaber et magnetfelt i jernet. Når magnetfeltet ændrer sig, induceres en spændingsforskel i den anden spole. Her kommer derfor en spænding, som veksler i takt med spændingen i den første spole. Man kalder den første spole for primærspolen og den anden for sekundærspolen. Det kommer fra de latinske betegnelser for det første og det andet. Hvis der er samme antal vindinger i de to spoler, vil spændingsforskellen i sekundærspolen være lige så stor som spændingsforskellen i primærspolen. Men er der et forskelligt antal vindinger, vil spændingsforskellen ikke være den samme i de to spoler. Hvis primærspolen fx kun har en vinding, vil magnetfeltet i jernet inducere en spænding i hver af sekundærspolens mange vindinger. Der vil derfor komme en stor spændingsforskel i sekundærspolen. Hvis sekundærspolen fx har ti Generatorer kan have forskellig opbygning. Til venstre roterer en magnet. Magnetfeltet indu cerer en varierende spænding i spolerne. Til højre opstår spændingsforskellen mellem spolens ender, når den drejer i det magnetiske felt fra magneterne. Den røde og den gule spole sidder på en firkantet jernring. En strøm gennem den ene spole vil lave et magnetfelt, der magnetiserer jernet. Der vil derfor være samme magnetfelt gennem den anden spole, En varierende strøm i den ene spole vil frembringe en strøm i den anden. De to strømme varierer i takt. 53

54 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Faldende magnet i kobberrør Magneter kan sidde fast på genstande af jern, men ikke på genstande af kobber. Der er ingen magnetiske kræfter mellem magneter og kobber. En lille stålkugle og en magnet slippes. De falder lige hurtigt. Stålkuglen holdes i toppen af et lodret kobberrør og slippes, så den falder gennem røret. Derpå slippes magneten, så den også falder gennem kobberrøret. Magneten er meget længe om at komme ud af røret. Der er åbenbart alligevel kræfter mellem en magnet og kobber? EKSPERIMENT Magneten slippes nu, så den falder gennem et andet kobberrør, der har en lang revne, en slids, fra den ene ende til den anden. Selv om slidsen er ganske tynd, falder magneten lige så hurtigt som i luften. Magneten bliver bremset i det hele rør, fordi den ved induktion laver en elektrisk strøm rundt i røret. Det kaldes en hvirvelstrøm. Strømmen påvirker magneten med en kraft, der går opad. Den inducerede strøm vil altså bremse magnetens fald. Når kobberrøret har en slids, kan der ikke løbe hvirvelstrømme rundt i røret. Magneten vil så falde frit. Nyttige oplysninger Der opstår en spændingsforskel, når magnetfeltet gennem en spole ændrer sig. Det kaldes induktion. Induktionsloven fortæller, at størrelsen af den inducerede spændingsforskel afhænger af, hvor hurtigt magnetfeltet ændres. Den inducerede strøm har en retning, så den skaber et magnetfelt, der går i modsat retning af det påtrykte magnetfelt. I en generator roterer spoler i et magnetfelt. Ved induktion opstår der en spændingsforskel over spolerne. gange så mange vindinger som primærspolen, vil spændingsforskellen blive forøget ti gange. Antallet af vindinger i primærspolen og i sekundærspolen kaldes N p og N s. Spændingsforskellene i de to spoler kaldes tilsvarende U p og U s. Der gælder, at U s /U p = N s /N p. Spæn - dingsforskellen på sekundærsiden vokser altså, når vindings - tallet på sekundærsiden vokser. Der gælder omvendte forhold for strømstyrkerne. Her er formlen I s /I p = N p /N s, hvor I s og I p er strømstyrkerne i de to vindinger. Strømstyrken vokser, når vindingstallet aftager. En transformer kan altså både ændre strømstyrker og spændingsforskelle. Det gælder, at spændingsforskellen stiger, når strømstyrken falder. Og omvendt. Kopiark 3.2, 3.3, 3.4 og

55 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Energiforsyning Elektrisk strøm og gas i gasledninger er såkaldte energibærere. Strømmen og gassen flytter energien fra leverandøren til forbrugeren. Ved boligopvarmning er det varme vand en energibærer, der flytter energien fra fyret til radiatorerne i stuen. Den vigtigste energibærer i Danmark er elektrisk strøm, der produceres i generatorer. I Danmark sker produktionen på store kraftværker og i vindmøller. Fra udlandet kommer elektrisk energi bl.a. produceret i vandkraftanlæg og kernekraftværker. De fleste steder bæres energien i form af vekselstrøm. Jævn- og vekselspænding Et batteri giver en jævnspænding, dvs. en spænding, hvor spændingsforskellen hele tiden er konstant. I generatorer produceres en vekselstrøm, hvor spændingsforskellen bølger op og ned 50 gange hvert sekund. Fra en positiv spænding til en negativ spænding og tilbage igen. På den måde bliver spændingsforskellen nul 100 gange hvert sekund. Der er en spændingsforskel på 230 volt i stikkontakterne. Det er en gennemsnitsværdi og ikke den højeste. De 230 volt kaldes den effektive værdi af spændingen. Spændingsforskellen mellem de to huller i stikkontakten svinger mellem +325 volt og 325 volt. Halvdelen af tiden har venstre hul en positiv spænding. I den anden halvdel af tiden har det en negativ spænding. Spændingen i højre hul er hele tiden nul. Når spændingen hele tiden veksler, vil strømmen også løbe frem og tilbage. Strømmen vil variere i samme takt. En vekselspænding, der svinger op og ned med 325 volt som maksimum, kan omsætte samme energi som en jævnspænding på 230 volt. En pære vil altså lyse med samme intensitet, når den forsynes med en jævnspænding på 230 volt eller en vekselspænding, der bølger op og ned med maksimalværdier på 325 volt. Det kan vises, at vekselspændingens maksimale værdi er 2 eller 1,4 gange større end den effektive spænding. Der gælder, at Man mærker normalt ikke, at spændingen hele tiden veksler. Det kan dog ses, når man hurtigt bevæger fingrene forbi et lysstofrør. Her slukker og tænder lyset 100 gange hvert sekund. Fingrene ses, som om de bevæger sig i små ryk. Vekselspændingen i en stikkontakt har en maksimal værdi på 325 volt og en effektiv værdi på 230 volt. U maks = 2 U eff hvor U maks er den maksimale og U eff den effektive spænding. Kopiark 3.6 og

56 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Danmarks elforsyning Store elektricitetsværker sender energien gennem højspændingsledninger, hvor spændingsforskellen er volt. Spæn - dingen transformeres ned i flere omgange, så der kommer 230 volt i stikkontakterne. På danmarkskortet viser de røde streger placeringen af højspændingsnettet med volt. I de blå ledninger er spændings - forskellen lavere, omkring volt. I de grønne ledninger under vandet til Norge, Sverige og Tyskland løber der jævnstrøm ved en høj spænding. Højspænding giver mindre tab En generator på et kraftværk laver en spændingsforskel på næsten volt. I vindmøllerne er spændingsforskellen fra generatoren volt. Da forbrugerne i stikkontakterne har en spændingsforskel på 230 volt, er det nødvendigt at bruge transformere undervejs, så spændingsforskellen bliver sat ned. Ved elektricitetsværkerne sættes spændingsforskellen dog først op. Normalt til volt. Rundt i landet sættes den ned til volt og senere igen til volt. Endelig sættes spændingsforskellen ned til volt, før den til sidst sættes ned til 230 volt. Spændingsforskellene i højspændingsledningerne er forskellige i Øst- og Vestdan mark. Når energien sendes ud med en høj spændingsforskel og senere transformeres ned for at ende med 230 volt, får man et mindre energitab. Ledningerne bliver opvarmet mindre. For at få et lille energitab skal både resistans og strømstyrke være små. Resistansen i ledningerne gøres mindre ved at benytte tykke ledninger. Når man i transformerne sætter spændingen op, bliver strømstyrken nedsat. Energitabet bliver derfor mindre, når der benyttes højspænding. Trefasespænding Generatorerne på elektricitetsværkerne er ikke bygget med én, men med tre spoler, der roterer i tre magnetfelter. Ud fra generatorerne kommer der tre ledninger med hver sin vekselspænding. Det kaldes trefasespænding. I de almindelige stikkontakter er der en vekselspænding på 230 volt. Benytter man trefasespændingen, får man en effektiv spændingsforskel på 400 volt. Det betyder, at apparater som el-komfurer og tørretumblere kan arbejde med en højere effekt. Apparater, der benytter trefasespænding, har et stik med fem ben. Tre faser, en nulledning og en jordledning. Det er vigtigt, at det ydre af apparatet er forbundet til jord. Ellers vil der ved fejl kunne opstå farlige spændinger på ydersiden af apparatet. Energikvalitet og virkningsgrad Elektrisk energi har høj kvalitet. Det siger man, fordi elektrisk energi kan bruges til mange forskellige ting. Energien i en liter varmt vand kan kun bruges til opvarmning af andre stoffer, 56

57 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ men el-energi kan mere end at varme. El-energien kan også få maskiner til at køre, lys til at lyse og elektronik til at fungere. I forbindelse med energiomsætninger er virkningsgrad en vigtig størrelse. Virkningsgraden, der også kaldes nyttevirknin - gen, er forholdet mellem den energi, man udnytter, og den energi, der tilføres. En gammeldags el-pære, en glødepære, har en lav virk ningsgrad. Man udnytter lysenergi, og man betaler med el-energi. Pæren har kun en virkningsgrad på ca. 2 %. De sidste 98 % af el-energien bliver til varme og ikke til lys. Andre lyskilder, som fx lysdioder, har en virkningsgrad på næsten 20 %. Da var metabet på 80 % er meget mindre end glødepærernes 98 %, vil lysdioder blive fremtidens lyskilde. Elektriske maskiner har en høj virkningsgrad. Her bliver normalt mere end 90 % af el-energien omdannet til arbejde. Diesel- og benzinmotorer har en lavere virkningsgrad. Kun de allerstørste dieselmotorer i skibe har en virkningsgrad højere end 50 %. Resten af brændstoffets energi bliver til spildvarme, der ikke kan bruges til noget. Transformere har også en virkningsgrad. Noget af el-energien bliver til unyttig varme i jernet i transformerens kerne. Selv om antallet af vindinger fortæller, hvordan spændingsforskellen bliver omsat, så er det ikke sådan i den virkelige verden. Din krop har også en virkningsgrad. Den kan opfattes, som forholdet mellem det arbejde, du kan udføre og den energi, der er i maden. Under heldige omstændigheder er din virkningsgrad omkring 25 %. Kopiark 3.8, 3.9 og 3.10 Geotermisk energi I kapitel 2 blev fortalt, at der kun kom ganske lidt varme - energi op fra Jordens indre. Men denne varme fra de radio - aktive henfald i Jordens indre kan måske alligevel udnyttes. Flere steder i Danmark er der overvejelser om at hente varmt vand op fra porøse lag flere kilometer under overfladen. Det varme vand skal bruges som fjernvarme om vinteren. Når vandet har afgivet sin energi og er blevet afkølet, sendes det igen ned i det porøse lag. Dog mere end 1 km fra det sted, hvor det blev hentet op. Det kølige vand kan så langsomt sive hen mod boringen, hvor det igen om mange år kan hentes op som varmt vand. På trefasestikket med fem ben bruges det midterste som jordforbindelse. Nyttige oplysninger I en vekselspænding bølger spændingsforskellen op og ned. I el-nettet er vekselspændingens frekvens 50 Hz. Den maksimale værdi af vekselspændingen i stikkontakterne er 325 V. Den effektive værdi af vekselspændingen i stikkontakterne er 230 V. En transformer ændrer både en vekselspændings spændingsforskel og strømstyrke. Apparater, der kræver meget effekt, kan forsynes med trefaset vekselspænding. 57

58 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Smelte søm med transformer Byg en transformer. Primærspolen skal have 600 vindinger. Sekundærspolen skal have fem. Sekundærspolen lukkes med et søm. Primærspolen sluttes til en stikkontakt med 230 V. Transformeren vil nedsætte spændingsforskellen til nogle få volt, men i sekundærspolen vil der løbe en strøm med en strømstyrke, der er over 100 gange større end i primærspolen. Der løber en så stor strøm gennem sømmet, at det opvarmes til langt over 1000 C, så det til sidst smelter. EKSPERIMENT Byg en ny transformer. Sekundærsiden skal denne gang være en vinding, der har form som en rund metalskål. Fyld vand i skålen. Primærspolen sluttes igen til en stikkontakt med 230 V. Den store strømstyrke i skålen får vandet til hurtigt at koge. Det er samme metode, der bruges til opvarmning af maden i induktionskomfurer. Boreplatform Siden 1971 har Norge hentet gas og olie fra boreplatforme i Ekofisk-området i Nordsøen. Gassen, der findes tre kilometer under hav - bunden, sendes i rørledninger til Norge og Tyskland. Gas fra Nordsøen Gas fra Nordsøen bærer også energi rundt i landet. Energien bruges som brændstof på kraftværker og til boligopvarmning. På samme måde som ved el-nettet har naturgassen også et fordelingsnet. Naturgassen, der stammer fra lag dybt under overfladen, hentes op ved et højt tryk, over 200 atmosfære. Rundt i landet nedsættes trykket i flere omgange, så det til sidst kommer ud til forbrugerne ved et tryk, der kun er ganske lidt over atmosfærens tryk. Det er altså det høje tryk dybt under Nordsøen, der driver gassen gennem ledningsnettet. Naturgassen fra Nordsøen, der især består af methan, CH 4, vil antagelig kunne levere energi frem til 2020 erne. Men mængden af naturgas er, som andre fossile brændstoffer, begrænset. Derfor skal Danmark i fremtiden satse på vedvarende energi. Vi skal have en bæredygtig energiforsyning. Det vil sige en energiforsyning, der ikke fjerner naturens resurser, men som lader undergrund og atmosfære forblive i samme tilstand. Det er derfor, at Solens energi direkte gennem solceller eller indirekte gennem vindmøller vil få en stadig større betydning for samfundets energiforsyning. 58

59 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Brintsamfundet En af de mulige opbygninger af samfundets energisystem i fremtiden kaldes brintsamfundet. Her bruges især sol og vind som energikilder, mens energien til forbrugerne er bundet i luftarten brint, der er det ældre navn for hydrogen. Hydrogen skal være energibæreren. I dag er det de fossile brændstoffer, kul, olie og gas, der bruges som energikilder, mens elektriciteten er den vigtigste energibærer. Hydrogen som energibærer Hydrogen har vi nok af. Ved elektrolyse af vand, dvs. ved at sende elektrisk strøm gennem vand, H 2 O, fås nemlig hydrogen, H 2. Det koster dog energi at spalte vand, men energien kommer igen, når hydrogenet senere brænder. Processen, der sker ved elektrolysen, er: 2 H 2 O + Energi 2 H 2 + O 2 Forbrændingen af hydrogen går den modsatte vej: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O + Energi Spaltning af 1 liter vand kræver en energi på 16 megajoule. Der dannes 111 gram hydrogen, som ved luftens normale tryk og temperatur fylder ca. 150 liter. Hydrogen er ikke så effektiv en energibærer som benzin. Selv om hydrogenet trykkes sammen til 100 gange atmosfæretrykket, indeholder benzin mere energi pr. liter. Mens der ved forbrænding af benzin og andre fossile brændstoffer frigives CO 2, kommer der ved hydrogens forbrænding kun vand som spildprodukt. Før brintsamfundet kan blive en realitet, må der findes effektive metoder til at opbevare og flytte hydrogenet. Vi har i dag et samfund, hvor der findes benzinstationer over hele landet. I et brintsamfund skal der være brintstationer. De skal ligge tættere ved hinanden end benzinstationerne, fordi energien i en fyldt brinttank er mindre end i en benzintank med samme rumfang. Mange forskere forsøger at finde faste stoffer, der kan binde hydrogenet, så det på den måde kan opbevares. Brintsamfundet El-energi fra vindmøller og solceller danner hydrogen ved elektrolyse af vand. Hydrogenet bærer energien videre til anvendelse fx ved transport, opvarmning eller produktion af el-energi. Da vindmøller og solceller ikke følger døgnrytmen i energiforbruget, skal der være meget store lagre, hvor hydrogenet kan opbevares. 59

60 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Brændselsceller Hydrogen og oxygen kan godt blandes, uden at der sker noget. Først når temperaturen bliver høj nok, sker der en forbrænding. Har gasserne det rette blandingsforhold, kaldes blandingen knaldgas. Hvis man stikker en brændende tændstik ind i knaldgassen, sker forbrændingen lynhurtigt som en eksplosion. Ved forbrændingen opstår der meget varme. Reaktionen kan skrives: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O + varme I en brændselscelle dannes derimod elektrisk energi i stedet for varme. Processen er: 2 H 2 + O 2 2 H 2 O + el-energi I Malmø har der siden 2003 kørt en brintbus. Bussen får brint på tanken fra en brintstation. En katalysator sørger for, at processen sker langsomt og ved en lav temperatur. På figuren sendes hydrogen ind i venstre side af brændselscellen, der har to elektroder. I den venstre elektrode ioniseres hydrogenet. Den kemiske proces er: 2 H 2 4 H e Elektronerne, e, løber som en elektrisk strøm gennem det ydre kredsløb, mens hydrogen-ionerne, H +, bevæger sig over til den anden elektrode. Her tilføres oxygen, O 2, der sammen med hydrogenet og elektronerne danner vand. Ved denne elektrode sker processen: O H e 2 H 2 O Brændselscelle I en brændselscelle tilføres hydrogen og oxygen. Der dannes herved elektrisk energi og vand. Samlet betyder de to processer, at hydrogen og oxygen er blevet til vand og elektrisk energi. Brændselscellen er altså et element, der kan skabe en elektrisk strøm, når det tilføres hydrogen og oxygen. Der er uløste problemer Selv om brændselscellen blev opfundet allerede i 1839 er der stadig mange praktiske problemer, der skal løses, inden hydrogen kan erstatte de fossile brændstoffer. 60

61 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ For at processen kan være effektiv, skal katalysatoren have en stor overflade, dvs. bestå af et materiale med mange, meget små huller. Men det betyder, at luftarterne ikke kan strømme nemt gennem cellen. Hvis processen får lov til at foregå for hurtigt, vil energien frigøres som varme og ikke som elektrisk energi. Men hvis brændselscellen skal bruges fx i biler, skal processen gå hurtigt, så der kan komme energi til bilens accelerationer. Der er flere af denne slags modstridende og fortsat uløste problemer med brændselscellerne. Måske kan du være med til at løse dem i fremtiden? Energilagring I brintsamfundet stammer energien fra Solen. I solceller og vindmøller skabes elektrisk energi, hvoraf en del skal benyttes til fremstilling af hydrogen. Der er et stort problem i brintsamfundet. I vindstille og overskyede perioder om vinteren kan sol og vind ikke levere energi til spaltning af vandet. Der skal derfor være enorme lagre af hydrogen, hvis samfundet skal være uafhængigt af fossile brændstoffer. Som det ser ud i dag, skal der i disse perioder suppleres med et udvidet køb af energi hos vores nabolande, eller vi skal bruge kernekraft. Solceller som energikilde Solceller kan lave en elektrisk spændingsforskel, når de bliver belyst. Solceller består af to materialer på hver side af en grænseflade. Når den øverste side bliver belyst, påvirkes elektronerne i materialet. De flytter sig over på den anden side af grænsen, så der opstår en spændingsforskel. Solcellen virker altså som et batteri. Virkningsgraden af en solcelle er den elektriske energi, som solcellen leverer, divideret med den energi fra sollyset, som cellen modtager. Solcellens virkningsgrad er omkring 10 %, men kan blive bedre. Fra Solen modtager vi kun energi om dagen. Der er i Danmark store forskelle på mængden af solenergi sommer og vinter. I gennemsnit for et år modtager vi omkring 120 watt på hver kvadratmeter. En normal husstand bruger i gennemsnit en elektrisk effekt mellem 500 og 1000 W. Det vil kræve, På Vanløse Skole ønsker man at have en energivenlig og miljørigtig politik. Der skal spares på energien. Solceller på taget er med til at levere den elektriske energi, som skolen bruger. 61

62 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Brintbilen Brintbilen trækkes af en elektromotor, der får sin spænding fra en brændselscelle. Først skal der laves hydrogen. Forbind et solcellepanel med en elektrolysecelle. Når der lyses på solpanelet, dannes der hydrogen i elektrolysecellen. EKSPERIMENT Cellen flyttes over på brintbilen. Her fungerer elektrolysecellen som en brændsels - celle. Bilen kører nu uden støj og forurening fra udstødningen. Nyttige oplysninger I en brændselscelle omdannes hydrogen og oxygen til vand, mens der frigives elektrisk energi. I brintsamfundet er hydrogen energibæreren. Solceller skaber en elektrisk spændingsforskel, når de belyses. at solcellerne for denne husstand dækker et areal, der næsten er 100 m 2. Skal husstanden også have dækket sit varmebehov via energi fra solceller, bliver det nødvendige solcelleareal flere hundrede kvadratmeter. Alternativer til brintsamfundet Der er ingen tvivl om, at de fossile brændstoffer i fremtiden vil få mindre og mindre betydning. Lagrene i undergrunden er begrænsede, og forureningen er uacceptabel. Brintsamfundet er en af fremtidens muligheder, men energi kan også udvindes, fordeles og udnyttes på andre måder. Biobrændsler, dvs. brændstoffer udvundet af landbrugsprodukter, kan bruges til transport og fyring. I flere lande blandes benzinen op med bioethanol, der er udvundet af fx sukkerrør og majs. El-biler kan erstatte benzin- og dieseldrevne køretøjer. El-bilerne skal have hyppige udskiftninger af nyopladede batterier, så der skal oprettes et net af batteri- stationer, hvor tømte batterier kan indleveres til opladning, og hvor man kan hente batterier, der er blevet opladet. Kopiark

63 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Anvendelser af induktion Mange af hverdagens apparater udnytter grundlæggende fysiske opdagelser. Når vores viden om naturen bliver større, kan ingeniører bruge denne viden til at skabe genstande, der kan hjælpe os i hverdagen. I dette afsnit beskrives virkemåden af en række apparater, der udnytter den grundlæggende fysik. Induktionskomfuret Normale el-komfurer har kogeplader, der varmes op, når en elektrisk strøm løber gennem nogle varmelegemer i pladen. Det varer lidt tid, inden en almindelig kogeplade bliver varm. Først skal det tunge materiale i kogepladen opvarmes. Der findes også komfurer med keramiske plader. Her er de tunge metalplader væk. De er erstattet af et glaslignende materiale, der dækker hele komfurets overflade. Induktionskomfurer benytter ikke varmelegemer. I stedet er der under gryden nogle kraftige elektromagneter, der laver hurtigt varierende magnetfelter. Disse magnetfelter frembringer ved induktion en cirkulerende elektrisk strøm i bunden af gryden eller panden. Det kaldes en hvirvelstrøm. Resistansen i bunden af gryden betyder, at der udvikles varmeenergi pga. hvirvelstrømmen. Hvis gryden er af et magnetisk materiale, kræves der energi for hele tiden at magnetisere gryden i den ene og den anden retning. Den energi opvarmer også grydens bund. De fleste induktionskomfurer er konstrueret, så de fungerer bedst med gryder af jern. De vil slet ikke kunne opvarme en glasskål, for glas er en isolator, der ikke kan lede strøm. Den keramiske plade er en dårlig varmeleder, så varmen fra grydens bund bevæger sig næsten ikke vandret ud gennem pladen. Da det kun er grydens bund, der opvarmes, er induktionskomfurer meget økonomiske. De er tillige nemme at rengøre og opvarmer maden lidt hurtigere end komfurer med varmeplader af metal. Hvis man benytter gryder med tynd bund og kun skal opvarme små mængder, vil det gå meget hurtigt, men ved opvarmning af store portioner er der ikke så stor forskel på de forskellige komfurtyper. Kopiark 3.12 Induktionskomfur Under de fire kogefelter i induktionskom furet ligger der store spoler. En vekselstrøm i disse spoler danner hvirvelstrømme i bunden af gryderne. Herved opvarmes maden. 63

64 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ Mikrobølgerne fra mikroovnen opvarmer stoffer, der indeholder vand. I mikroovnens låge er et metalnet, der hindrer bølgerne i at komme ud af ovnen. Strålerne fra radaranlæg er af samme type som strålerne i mikroovnen. Mennesker må derfor ikke opholde sig tæt ved radarantenner. Det kan hurtigt blive ret varmt! Når magneten på hjulet passerer forbi cykel - lygten, ændres magnetfeltet i nogle spoler. Den inducerede spænding får lygtens diodepærer til at blinke. Mikrobølgeovnen I induktionskomfuret svinger det magnetiske felt med en frekvens på 50 Hz. I mikrobølgeovnen svinger det magnetiske felt langt hurtigere. Det svinger mere end to milliarder gange hvert sekund. Dette svingende magnetfelt kaldes mikrobølger. Et så hurtigt varierende magnetfelt påvirker de enkelte molekyler, så de svinger i takt med magnetfeltet. Ikke alle stoffer har molekyler, der kan svinge på den måde. Molekylerne i vand og i nogen grad også i sukker og fedtstoffer vil svinge i takt med magnetfeltet. Der er en modstand mod denne svingning. Det er, som om molekylerne gnider mod andre molekyler. Derved opstår en varmeudvikling, der bevirker en hurtig opvarmning. Glas og porcelæn bliver ikke opvarmet. Mikrobølgerne går lige gennem disse materialer, så kun vandet eller den vandholdige mad bliver opvarmet. Mikrobølgerne kan kun trænge ca. 5 mm ind i maden. Man bør derfor ikke anbringe maden i en stor klump i mikroovnen. Maden skal bredes ud på tallerkenen. Cykellygten Cykler man i mørke, skal man kunne ses. En batterilygte er naturligvis god, men med en lygte spændt fast på cyklen risikerer man ikke de uheldige situationer, hvor batterierne er blevet helt flade, eller batterilygten er glemt hjemme på hylden. Tidligere brugte man dynamolygter. De indeholdt en lille generator, der blev drejet rundt af en rulle, som drejede ved kontakt med cyklens dæk. Desværre krævede dynamolygterne, at der skulle trædes noget mere end ellers i pedalerne for at få lys. Der skulle arbejdes for lyset. I dag er diodelygter, der udnytter induktion, det mest almindelige. På hjulets eger sidder et par magneter. Når de passerer forbi lygten, vil deres magnetfelt inducere en spænding i en spole. I spolen opstår en strøm, der får diodepærerne til at blinke. Disse lygter bruger langt mindre energi end de tidligere dynamolygter. Man kan næppe mærke, at der skal bruges pedalkraft for at holde dem i gang. Kopiark

65 KAPITEL 3 ENERGI PÅ VEJ EKSPERIMENT Varmt vand til en kop te Virkningsgraden af en mikrobølgeovn kan undersøges, ved at måle den energimængde der skal bruges til opvarmning af noget vand. Fyld 200 g vand i et bægerglas. Mål vandets temperatur. Anbring bægerglasset i en mikrobølgeovn. Sæt en energimåler i ledningen til mikrobølgeovnen. Start ovnen og aflæs energimåleren, når vandet begynder at koge. Bestem virkningsgraden, dvs. forholdet mellem den energi, der er tilført vandet, og den energi, der er tilført mikrobølgeovnen. Ved beregningen skal bruges, at 1 kwh = 3600 kj. Desuden benyttes, at der skal tilføres 0,418 kj for at opvarme 100 g vand 1 C. Den elektriske guitar I en almindelig guitar laver strengene lydsvingninger, der forstærkes af resonanskassen i guitarens bund. Kassens form og de materialer, den er lavet af, betyder meget for guitarens klang. Den lyd, der kommer fra strengene alene, kan næsten ikke høres. I en elektrisk guitar er der ingen kasse under strengene. Under strengene sidder der en eller flere spoler. Hver af disse spoler er i forbindelse med nogle såkaldte pickup-spoler under hver streng. Disse spoler skaber et magnetfelt. Strengene, der er af jern, bliver derfor magnetiserede. Når de bevæger sig mod eller væk fra spolen, virker det som om en magnet bevæger sig i forhold til spolen. Der bliver induceret en spænding, der forstærkes og sendes ud i højttaleren. På en el-guitar er der tit to eller tre sæt forskellige spoler. Den del af strengen, der sidder tæt ved guitarstolen, dvs. det sted hvor strengene er gjort fast, giver en hårdere lyd end de andre dele af strengen. Ved at justere på, hvor meget signal fra de enkelte spoler, der skal sendes videre til forstærkeren, kan guitarspilleren danne en ønsket lyd. Med en elektrisk guitar er der langt flere muligheder for at skabe en bestemt lyd end med en klassisk guitar. N S N S Tre steder under hver streng er der spoler, der fanger svingningerne fra strengen. Guitarspilleren kan regulere lyden ved at sende mere eller mindre af lyden fra de tre spoler videre til forstærker og højttaler. 65

66 CAFE KOSMOS SIKKERHEDSTJEK I LUFTHAVNEN Ved alle flyrejser skal passagererne kontrolleres. Metalgenstande og ulovlige stoffer må ikke komme med i flyet. Nogle af disse kontrolmetoder bygger på induktion fremkaldt af vekslende magnetfelter. Metoderne i lufthavnen kan også bruges af arkæologer og skattejægere. svinde med en bestemt fart. Hvor - dan dette magnetfelt ændrer sig, kan enten måles med den spole, der skabte feltet, eller med en anden spole, en målespole, i den anden side af porten. I måle spolen induceres nemlig en spændingsforskel på samme måde, som når en magnet trækkes ud af en spole. En tilsluttet computer undersøger nu, hvor hurtig og hvordan dette ekkomagnetfelt forsvinder. Er der ingen metalgenstande i porten, vil feltet forsvinde hurtigt. Er der metalgenstande i porten, vil det op - rindelige magnetfelt skabe små hvirvelstrømme i metallet. Disse strømme laver et ekstra magnetfelt, der bevirker, at ekkomagnetfeltet forsvinder langsommere. Hvis det sker, må passageren videre til en yderligere metalkontrol. METALDETEKTORER I alle lufthavne skal passagererne gå gennem en port, der kan regi - strere, om man har metalgenstande gemt under tøjet. Disse metaldetektorer udnytter induktion til at se skjulte metalgenstande. I den ene side af porten sidder en stor spole. Gennem spolen løber normalt 100 gange hvert sekund en kortvarig og kraftig elektrisk strøm. Strømmen skaber et magnetfelt i den port, som passagererne går gennem. Når strømimpulsen stopper, vil magnetfeltet også for- 66 Ved denne næste kontrol benyttes et håndholdt apparat, der virker helt på samme måde. Blot er der kun et magnetfelt i et lille område. Ved at føre apparatet rundt over flypassagerens krop, kan man finde den eller de metalgenstande, der gav udslag ved undersøgelsen i por ten.

67 CAFE KOSMOS SPRÆNGSTOFFER I KUFFERTEN I lufthavnene bliver alle kufferter gennemlyst med røntgenstråler. Knive, pistoler og andre metalgenstande giver et tydeligt skyggebillede. Men røntgenstråler kan også lave kemiske analyser af stofferne i kufferten. Selv væsker kan man opdage. Metoden er den samme, som frembringer farverne i en sæbeboble. Sæbebobler viser tit et spændende mønster med alle regnbuens farver. Det skyldes, at de forskellige farver i lyset bliver sendt tilbage i forskellige retninger, fordi sæbehinden er meget tynd. Lysets bølgelængde har omtrent samme størrelse som hindens tykkelse. Røntgenstråler har omtrent samme bølgelængde som afstanden mellem atomerne i forskellige stoffer. Derfor spredes røntgenstråler af atomerne i et stof på samme måde som lyset i overfladen af en sæbeboble. Den måde, hvorpå en lang række sprængstoffer og narkotiske stoffer spreder røntgenstrålerne, er kendt. Når et apparat ser en sådan spredning, er det som en kemisk analyse. Man har set et fingeraftryk af det ulovlige stof. De farlige stoffer kan ikke gemmes. Med røntgenstrålerne kan man endda se, hvad der gemmer sig bag metal, fx i store skibscontainere. MINESØGERNE I ANDEN VERDENSKRIG Ideen om at bruge magnetfelter til at finde skjulte metalgenstande var opstået allerede i 1800-tallet, men først under anden verdenskrig blev ideen til virkelighed. For at finde nedgravede miner benyttede man en spole, der blev bevæget langsomt tæt over jorden. En jævnstrøm gennem spolen lavede et konstant magnetfelt, der gik lidt ned i jorden. Hvis en metalgenstand kom ind i magnetfeltet, ville der opstå hvirvelstrømme i metallet. En anden spole kunne så opfange magnetfeltet fra hvirvelstrømmene. På den måde kom der et signal, når minesøgeren havde bevæget sig hen over en metalgenstand. ARKÆOLOGER OG METALDETEKTORER I mange år var verdenskrigens minesøgere en militær hemmelighed. Men 20 år efter krigen begyndte andre at bruge minesøgere som metaldetektorer. Arkæologer har stor glæde af me tal - detektorer. Nye detektorer er blevet udviklet, bl.a. den form, der ligesom i lufthavnene udsender kort - 67 varige magnetiske felter. Disse detek - torer kan finde metal. De kan også kende forskel på forskellige typer af ekko. Derfor kan metaldetektorerne indstilles, så de ikke reagerer på fx tomme øldåser og rustne søm. En skattejæger i USA gik i 1977 rundt med en metaldetektor i Mojaveørkenen. Han var heldig. Han fandt en guldklump på næ - sten 15 kg. Den ville i dag have en værdi på omkring kr. INTELLIGENTE TRAFIKLYS Mange trafiklys kan mærke, når en bil nærmer sig, eller når der er mange køretøjer i en bestemt retning. Så skifter lyset til grønt. I asfalten er lavet en firkantet rille, der dækker et areal på få kvadratmeter. I rillen er anbragt en spole, der skaber et magnetfelt lige over asfalten. Når en bil kommer ind i magnetfeltet, bliver ændringen af magnetfeltet registreret i en anden spole, hvorefter lyssignalet indstiller sig på grønt. Den samme metode bruges også ved trafiktælling. Spoler i asfalten på motorvejene giver vejmyndighederne oplysninger om antallet af biler på en bestemt strækning.

68 DET VED DU OM ENERGI PÅ VEJ INDUKTION ENERGIFORSYNING Der opstår en spændingsforskel, når magnetfeltet gennem en spole ændrer sig. Det kaldes induktion. Induktionsloven fortæller, at størrelsen af den inducerede spændingsforskel afhænger af, hvor hurtigt magnetfeltet ændres. Den inducerede strøm har en retning, så den skaber et magnetfelt, der går i modsat retning af det påtrykte magnetfelt. I en generator roterer spoler i et magnetfelt. Ved induktion opstår der en spændingsforskel over spolerne. I en vekselstrøm bølger spæn - dingsforskellen op og ned. I el-nettet er vekselspændingens frekvens 50 Hz. Den maksimale værdi af vekselspændingen i stikkontakterne er 325 V. Den effektive værdi af vekselspændingen i stikkontakterne er 230 V. En transformer ændrer både en vekselspændings spændingsforskel og strømstyrke. Apparater, der kræver meget effekt, kan forsynes med trefaset vekselspænding. BRINTSAMFUNDET ANVENDELSER AF INDUKTION I en brændselscelle omdannes hydrogen og oxygen til vand, mens der frigives elektrisk energi. I brintsamfundet er hydrogen energibæreren. Solceller skaber en elektrisk spændingsforskel, når de belyses. 68 I induktionskomfuret opvarmes maden af hvirvelstrømme i grydens bund. I mikrobølgeovnen opvarmes maden af et svingende magnetfelt.

69 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Hvad er en virkningsgrad? Hvorfor bruger vaskemaskiner trefaset spænding? Hvordan virker en metal - detektor? Hvordan kan man finde ud af, hvilken vej en induceret strøm går, når en magnet skubbes ind i en spole? Hvad er forskellen på jævnstrøm og vekselstrøm? Hvad er den maksimale værdi af vekselspændingen i stikkontakterne? Hvad er frekvensen af vekselspændingen i stikkontakterne? Hvorfor bruges der transformere i el-forsyningen? Hvad er induktion? Hvad er en solcelle? UDFORDRING Hvornår fik man el-forsyning i Danmark? Find svaret fx på internettet. Hvor ligger de største elektricitetsværker i Danmark? Find svaret fx på internettet. Ved vekselstrøm går strømmen frem og tilbage. Hvorfor får man alligevel energi fra elektricitets - værkerne? Forklar, hvorfor det ikke er en god ide at have luftformig hydrogen i tanken på et køretøj. 69

70 KAPITEL 4 Elektronik

71 og styring ELEKTRONISKE KOMPONENTER INFORMATIONER PÅ VEJ STYRING ANVENDELSER AF ELEKTRONIK CAFE KOSMOS: VINDMØLLER Den elektroniske tidsalder startede i 1947, hvor transistoren blev opfundet. Siden da er der foregået en rivende udvikling, der ikke ser ud til at stoppe. I dag er vores tilværelse præget af den moderne elektronik. Forkortelser som GPS, MP3, dvd, cd, it og pc er hverdagsbegreber. Det er viden om atomernes mikroverden, der har gjort det muligt at bygge mindre og mindre elektroniske komponenter. Vendingen Kun fantasien sætter grænser gælder for de muligheder, som mikroelektronikken giver. Der er ingen tvivl om, at den fortsatte udvikling vil medføre store ændringer i vores dagligdag. Hvad er en diode? Hvad er et digitalt signal? Hvad er en chip? Hvad får en elkedel til at slukke, når vandet koger? Hvordan gemmes tekst og billeder på en cd? Hvorfor kan en HPFI-afbryder redde liv? 71

72 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING Elektroniske komponenter I elektroniske apparater er der et stort antal komponenter. Nogle er synlige. De kan sidde loddet fast på en såkaldt printplade. Andre sidder gemt inde i små chips, der rummer millioner af komponenter i nanometer-størrelse, dvs. omkring en milliontedel millimeter. Der findes kun få typer af komponenter, men ved sammen - sætning af dem kan man konstruere mange forskellige apparater. Mobiltelefoner, fladskærme, MP3-afspillere, computere og minesøgere benytter de samme komponenttyper. Den sorte kasse på den grønne printplade er en chip, der indeholder et meget stort antal ganske små komponenter. De brune komponenter er såkaldte kapacitorer. De "gyldne streger" er kobberledninger, der forbinder komponenterne. Dioden Strømmen kan kun gå gennem dioden i lede-retningen. En strøm i den modsatte retning kan ikke passere. Diodens to dele er begge af silicium, men enkelte af siliciumatomerne er erstattet af andre atomer. Man siger, at den ene side er en halvleder af n- type, mens den anden er af p-type. Bogsta - verne n og p står for negativ og positiv. Dioden Dioden er en komponent, der findes i alle elektroniske apparater. En elektrisk strøm kan gå gennem en diode, men kun i den ene retning. Dioden har en resistans, der er meget lille, når strømmen går i lede-retningen. Resistansen er derimod meget stor i den anden retning, spærre-retningen. Dioder er normalt fremstillet af grundstoffet silicium. Silicium er hverken en god leder eller en god elektrisk isolator. Silicium er en halvleder. Men tilfører man små mængder af bestemte grundstoffer til halvlederen, bliver den ledende. Man siger, at halvlederen er doteret med disse stoffer. I en diode støder to halvledere, der er forskelligt doteret, op mod hinanden. Doteringen betyder, at elektroner, der bevæger sig fra den ene side af halvlederen mod den anden, energimæssigt skal op ad bakke. En elektron i den anden retning glider ned ad bakke. Det er denne energiforskel, der bevirker, at strømmen kun kan løbe den ene vej gennem en diode. Hvis dioderne er opbygget af nogle specielle grundstoffer, bliver de til såkaldte lysdioder. De lyser, når der går en strøm gennem dem. Forskellige stoffer giver forskellige farver. Omvendt kan disse dioder virke som et lille element. De danner nemlig en spændingsforskel, når de belyses. Så kaldes dioden for en fotodiode. Kopiark 4.1 og 4.2 Ensretning Dioder bruges, når en vekselstrøm skal omdannes til en jævnstrøm. Denne ændring kaldes en ensretning. På tegningen er 72

73 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING vist et kredsløb, hvor der sendes vekselstrøm gennem en diode og en modstand. Vekselstrømmens positive bølge løber gennem dioden og dermed også gennem modstanden. Den negative bølge kan ikke løbe gennem dioden. Forsøger man at sende vekselstrøm gennem en diode, er det altså kun de positive dele af bølgen, der slipper igennem. Gennem modstanden vil der derfor gå en strøm, hvor strømstyrken følger den positive del af bølgen. En ensretning med et kredsløb med én diode giver derfor en bølgende, positiv strøm i halvdelen af tiden. Skal man have en strøm, der mere ligner en jævnstrøm, skal der bruges fire dioder. Et kredsløb med fire dioder er vist på figuren. Ved vekselstrømmens positive bølger går strømmen den ene vej gennem dioderne. Ved de negative bølger går strømmen den anden vej. Derfor går strømmen hele tiden samme vej gennem modstanden. Der kommer derfor over modstanden en pulserende spænding, som hele tiden er positiv. Det er som om, de negative bølger er blevet vendt om. Det er muligt at tilføje andre komponenter for at udglatte strømmen, så kredsløbet kommer til at virke som et batteri med en næsten konstant spændingsforskel. Sådanne kredsløb bruges fx i opladere til mobiltelefoner. Kopiark 4.3 Transistoren De første radioprogrammer blev udsendt i Datidens radioer var store og brugte meget energi. I apparaterne var der radiorør, som var på størrelse med en elektrisk pære. Radiorørene indeholdt nogle elektroder, hvor man med en lille spændingsforskel kunne styre en stor strøm. På den måde kunne signalerne forstærkes. I 1947 blev transistoren opfundet. Den fyldte kun ganske lidt og erstattede hurtigt radio - rørene i alle elektroniske apparater. En transistor har en opbygning som to dioder. Der er tre lag, hvor det tynde i midten, spærrelaget, er doteret på én måde og de to yderste lag på en anden måde. Der kommer tre ledninger, de såkaldte ben, ud af transistoren. Når strømstyrken ind i det midterste lag, spærrelaget, ændres, får transistoren nye egenskaber. Strømstyrken mellem de to yderste lag afhænger nemlig af størrelsen af den strøm- Ensretning af vekselstrøm Transistorens virkemåde I en transistor kan en lille strøm til det midterste ben styre en stor strøm. Det virker på samme måde, som når en lille bevægelse af håndgrebet på vandhanen styrer en stor vandstrøm. 73

74 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING styrke, der går ind i det midterste lag. Det midterste lag er som en vandhane, hvor man med en lille påvirkning kan ændre vandstrømmen. I transistoren er det strømstyrken til spærrelaget, der styrer strømstyrken gennem transistoren. Den virkning kan bruges, når et elektrisk signal, dvs. en svingende strømstyrke, skal forstærkes. Det lille signal føres til det mid - terste ben på transistoren. Der vil så mellem de yderste ben kunne løbe en stor strøm, der svinger i takt med det lille signal. Det lille signal styrer et stort. Forstærkerkredsløb Fra mikrofonen kommer der en lille strøm, der svinger i takt med lyden. Strømstyrken er lille, så en højttaler kan ikke bruges direkte. Derfor skal signalet forstærkes. Strømmen fra mikrofonen går gennem transistorens midterste lag. Det får en stor strøm gennem hele transistoren til at svinge i takt med signalet fra mikrofonen. Højttaleren vil nu få et signal med en strømstyrke, der er så stor, at musikken kan høres. Skitsen viser den principielle opbygning af en lille del af en chip. Den blå bund er af halvlederen silicium. Det røde lag er doteret silicium, mens de sandfarvede bjælker er metal, der forbinder kredsløbets dele. Det hele er ætset ud af en blok, hvor de forskellige materialer lå i flere lag. Forstærkeren Der bruges forstærkerkredsløb i alle elektroniske apparater. Med forskellige komponenter omkring transistoren eller ved at bruge flere transistorer kan man opnå, at kun signaler med en bestemt frekvens bliver forstærket. Herved fjernes uønskede signaler, som fx støj. I moderne elektronik bruges kredsløb med tusindvis af forstærkere. Med den slags kredsløb kan man opnå, at det forstærkede signal er en perfekt udgave af det indkommende, svage signal. Kopiark 4.4 Den integrerede kreds De integrerede kredse blev opfundet i En integreret kreds kaldes også en chip eller en mikrochip. En integreret kreds er bygget på en tynd skive af silicium. På skiven er lagt nogle meget tynde lag af forskellige andre stoffer, både ledere, isolatorer og halvledere. Derpå fjernes noget af materialet i de forskellige lag. Der ætses gennem overfladerne med en fotografisk, laserstyret teknik. På den måde danner det resterende materiale et omfattende og kompliceret kredsløb. Her findes både ledninger, modstande, dioder, transistorer og andre komponenter. Alle disse komponenter er ganske små. Der kan fx ligge omkring 1 million transistorer på en kvadratmillimeter. Brugen af integrerede kredse har revolutioneret elektronikken. I stedet for en dyr og meget langsom produktions - metode, hvor de enkelte komponenter skulle loddes sammen, kan man nu hurtigt og billigt fremstille store og helt ens kredsløb. 74

75 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING EKSPERIMENT Hvor hurtig er du? Med to fotoceller og en timer måles, hvor hurtigt hånden kan bevæges. Anbring to fotocelleenheder 25 cm fra hinanden. En timer indstilles til at måle den tid, der går mellem lysstrålerne i de to enheder bliver afbrudt. Et ark karton trækkes gennem de to enheder. Mål den tid, der går, mellem de to lysstråler bliver afbrudt. Bestem håndens fart. Fotocellen En fotocelle er en komponent, hvis resistans afhænger af belysningen. Det aktive stof i fotoceller til brug ved synligt lys er normalt lavet af cadmiumsulfid, CdS. Når lyset rammer cadmiumsulfidet, løsrives elektroner fra atomerne. De kan så bevæge sig i stoffet, der på denne måde er blevet elektrisk ledende. Fotoceller har mange anvendelser. De kan bruges til at tælle enheder ved samlebånd på fabrikker. De kan i forbindelse med en tidsmåler, en timer, bruges til nøjagtige fartmålinger. Kopiark 4.5 Nyttige oplysninger I en diode kan strømmen kun gå i den ene retning. Dioder kan bruges til ensretning af vekselstrøm. I en transistor kan en lille strøm styre en stor strøm. Integrerede kredse, der også kaldes chips, kan indeholde flere milliarder elektroniske komponenter. En fotocelle har en resistans, der afhænger af belysningen. I venstre gren af fotocelleenheden sidder en lyskilde, der udsender rødt lys. I højre gren, lige overfor, sidder en fotocelle. Enheden registrerer, om fotocellen er belyst. 75

76 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING Morsealfabetet A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z Æ Ø Å Informationer på vej Når man hører en tone, skyldes det, at trykket i luften svinger hurtigt. Frekvensen, dvs. antallet af svingninger pr. sekund, bestemmer den tone, man hører. Med mikrofoner laves svingningerne i lufttrykket om til elektriske svingninger med samme frekvens som lyden. Et signal, der på den måde er omsat til en elektrisk spænding, kaldes et analogt signal. Analog betyder lignende. Digitale signaler Tidligere blev der sendt analoge signaler, når lyd skulle overføres i telefonledninger. Det har dog vist sig, at den bedste kvalitet og den mindste udgift fås, når signaler over lange afstande sendes som digitale signaler. Digital betyder med tal. Det første digitallignende signal var morsealfabetet, der blev brugt i forbindelse med telegrafi fra midten af 1800-tallet. I morsealfabetet har hvert bogstav en bestemt kombination af prikker og streger. Sendte man en kort impuls efterfulgt af tre lange impulser, betød det et j. På den måde blev meddelelser sendt i ledninger mellem fx Europa og USA. I dag sendes digitale signaler i et to-talssystem. Man benytter såkaldte binære tal, dvs. tallene 0 og 1. Når vi skriver et tal som 84, benytter vi et ti-talssystem. Tallet 84 er sammensat af otte tiere og fire enere. Når informationer skal sendes binært, benyttes et to-talssystem. I det binære system tæller man ikke 1, 2, 3, 4, 5,, men 1, 10, 11, 100, 101,, da man kun bruger tallene 0 og 1. En bit er et binært ciffer, altså 0 eller 1. Med et ti-talssystem kan man med tre cifre danne tal op til 999. I det binære system skal man bruge ti cifre for at kunne danne alle tal op til I beskrivelsen af mange moderne apparater forekommer forkortelserne kb, Mb eller Gb, der står for kilobit, megabit og gigabit. En kilobit er ikke 1000, men 1024 binære cifre. En megabit er lige over en million binære cifre. Helt præcist er 1 Mb binære cifre. Den endnu større enhed, Gb, svarer til lidt over en milliard. Hvis en netforbindelse til en pc har en kapacitet på 20 Mb/s betyder det, at forbindelsen kan overføre omkring tyve millioner bi - næ re cifre hvert sekund. Kopiark 4.6 og

77 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING Analog til digital og tilbage igen Et svingende elektrisk signal, et analogt signal, kan omdannes til et digitalt signal. Det gøres ved at måle størrelsen af det analoge signal med korte mellemrum. Størrelsen oversættes til et tal i det binære talsystem. Hos modtageren sørger et elektronisk kredsløb derefter for at oversætte tallene til en spændingsforskel med den rigtige størrelse. Elektronikken skal arbejde hurtigt. For at danne den rigtige lyd skal der udføres op mod en million af disse oversættelser hvert sekund. Optisk kommunikation I dag sendes telefon- og internetsignaler gennem lyslederka b - ler. Lyslederkabler har en opbygning, så lys, der sendes ind i den ene ende, ikke kan komme ud gennem kablets sider. Selv om kablet krummer, fortsætter lyset inde i kablet. I lyslederkabler består det binære signal af en række små lysglimt. Lys betyder 1, og intet lys betyder 0. En laser sender lyssignaler af sted. I kablets anden ende sørger en fotodiode for, at lyssignalerne igen ændres til en række elektriske impulser. Der er god plads til signalerne i et lyslederkabel. Der findes kabler, der er så effektive, at alle telefonsamtaler i hele verden kunne sendes samtidig i bare et kabel. Lyslederkablerne er langt mere effektive end de gamle kobberledninger, der tidligere transporterede analoge eller digitale elektriske signaler. Binære tal Ti-talssystemet Binære tal Tv-signaler I et tv kommer der normalt et nyt billede på skærmen 24 gange hvert sekund. Tv-signalerne har i mange år bestået af informationer, der skabte billeder, som bestod af 576 linjer med hver 720 punkter. Signalet indeholdt også yderligere informationer, der blev brugt til tekst-tv og til at fortælle tv-apparatet, hvornår der skulle starte et nyt billede eller en ny linje. Tv-signalet indeholder oplysninger, om et punkt på skærmen skal være tændt eller slukket. Det er det samlede indtryk af lyset fra de = punkter, der skaber billedet. Den ny standard, det såkaldte HDTV, har 1920 linjer hver med 1080 punkter. Da der er fem gange så mange punkter på skærmen, fås et skarpere billede. Et svingende elektrisk signal måles med regelmæssige mellemrum. Størrelsen af udsvinget erstattes med det binære tal, der ses på aksen. Modtageren af disse 17 gange 3 cifre vil danne et signal, der ligner de grønne toppe. Ønskes en bedre kvalitet, skal det oprindelige signal registreres i kortere tidsintervaller. Man kalder antallet af regi - streringer pr. sekund for sample rate. 77

78 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING Et tv-billede bliver skarpere, når antallet af punkter i hver række og søjle øges. Kommunikationssatellitter På tv oplever man tit, at der er lang tid mellem spørgsmål og svar, når studieværten taler med en reporter på den anden side af Jorden. I de fleste tilfælde går billede og tale gennem lys - lederkabler, men undertiden benyttes kommunikationssatellitter, der befinder sig km over Ækvator. Selv om tv-signalet bevæger sig med lysets fart, km/s, kan man sagtens mærke den forsinkelse, som en tur op til og ned fra en eller måske to satellitter medfører. Hologrammer Et hologram er et tredimensionalt billede, der kan ses, når et fladt billede bliver belyst. Forklaringen på dette mærkelige Laserlyset sendes ind mod et specielt spejl, der lader halvdelen af lyset passere, mens den anden halvdel spejles. Det spejlede laserlys bliver nu spejlet videre af skakbrikken. Når dette lys rammer filmen, vil det nogle steder forstærke det direkte laserlys, fordi to bølgetoppe ankommer samtidig. Andre steder vil de to stråler ophæve hinanden. Når filmen sener belyses, vil der komme et holografisk billede af tårnet. 78

79 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING EKSPERIMENT Det tredimensionale billede Et hologram anbringes i lyset fra en overheadprojektor, eller så Solen kan skinne på det. Se på billedet fra forskellige sider. Prøv, om det er muligt at røre ved det svævende billede. fænomen er, at lys kan interferere. Interferensen opstår, fordi lys er en bølgebevægelse. Lyset interfererer, når to stråler blandes sammen. En bølgetop og en bølgedal fra to lysstråler, der lægges sammen, giver mørke. To bølgetoppe vil derimod forstærke hinanden og gøre lyset stærkere. Det flade billede på filmen er lavet ved at belyse en genstand med en laser. Alt lys fra laseren har samme bølgelængde. Et særligt spejl deler først strålen, så noget af lyset rammer en fotografisk film i en direkte stråle. En anden del af lyset rammer genstanden, hvorfra en reflekteret stråle sendes mod filmen. Hvis forskellen i de afstande, den direkte stråle og den reflekterede stråle har bevæget sig, er en halv bølgelængde, vil der ikke komme lys på filmen på de steder, hvor de to stråler rammer. Det samlede billede af mørke og lyse områder på filmen rummer nu alle informationer om den genstand, der blev belyst. Hvis man bagefter lyser på filmen, sker det omvendte fænomen. De mørke og lyse områder vil sammen med det lys, der rammer filmen, skabe et billede af den oprindelige genstand. Billedet bliver flottest, når filmen belyses med lys af samme farve som det oprindelige laserlys, men billedet kan nemt ses i sollys, der indeholder alle farver. Nyttige oplysninger Et analogt signal består af en svingende elektrisk strøm. Det binære talsystem består af to tal, 0 og 1. Et digitalt signal dannes af tallene 0 og 1. Optisk kommunikation gennem lysledere er mere effektiv end elektrisk kommunikation gennem kobberledninger. Et hologram er et tredimensionalt billede. Billedet opstår ved interferens mellem det lys, der sendes mod en film, og lyset der reflekteres fra filmen. 79

80 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING Styring Moderne elektronik kan benyttes til at styre eller regulere, sådan at en ønsket tilstand opnås. Det kan være køleskabe og frysere, der skal have en bestemt temperatur. Det kan være vandingsanlæg i drivhuse, der skal sørge for en bestemt fugtighed i jorden, eller automatpiloter i fly, der skal sørge for at fastholde kurs og fart. I alle styringer foretages en måling, der benyttes til at ændre en tilstand, så den får en ønsket værdi. PTC-modstand Når temperaturen af PTC-modstanden ændres, vil strømmen gennem lysdioden også ændres. Temperaturens størrelse kan på den måde ses som intensiteten af lyset fra lysdioden. Nyttige oplysninger En styring består i at måle en størrelse og derpå foretage en ændring, så den målte størrelse får en ønsket værdi. Resistansen af PTC-modstande ændrer sig kraftigt ved temperaturændringer. Disse modstande bruges til styring af temperaturen. HPFI-afbrydere slukker for strømmen, hvis der opstår fejlstrømme. Temperaturregulering Til brug i elektriske kredsløb, der skal regulere temperaturen, kan bruges en særlig komponent, hvis resistans ændrer sig kraftigt med temperaturen. Det kan være en PTC-modstand. PTC står for positive temperature coefficient. Når temperaturen stiger, øges PTC-modstandens resistans. Denne effekt kan fx udnyttes i brødristere. Strømmen til varmetrådene går gennem en PTC-modstand, der sidder tæt ved varmetrådene. Når temperaturen i tråden stiger, bliver resi - stansen i PTC-modstanden større og strømmen dermed mindre. På denne måde, kan brødristeren holde en konstant temperatur. Pærerne i bilers forlygter har tilsvarende egenskaber. Resi - stansen i glødetråden stiger, når temperaturen stiger. Herved sikres, at pærerne ikke bliver for varme. På figuren er vist princippet i et kredsløb med en transistor og en PTC-modstand. Dette kredsløb kan bruges til at holde en temperatur konstant. Når PTC-modstandens temperatur vokser, går der en mindre strøm gennem det midterste lag i transistoren. Det vil få strømstyrken gennem transistoren til at falde. På den måde kan der lukkes for det system, der forsynes med strøm fra transistorkredsløbet. Et andet eksempel på temperaturregulering findes i elkedler, der slukker for strømmen, når temperaturen i vandet er blevet 100 C. Der er i øvrigt to temperaturstyringer i de fleste elkedler. Har man glemt at komme vand i kedlen, vil varme - legemets temperatur hurtigt blive for høj. Derfor sidder der tæt på varmelegemet en såkaldt tørkogningssikring, som slukker kedlen, inden varmelegemet tager skade. Kopiark 4.8, 4.9 og

81 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING EKSPERIMENT Elkedlens styring og sikringer Fyld en elkedel halvt op med koldt vand. Anbring et termometer midt i vandet. Varm nu vandet op, og følg temperaturen, indtil elkedlen slukker. Hvor længe var vandet om at nå op på 100 C, og hvor længe kogte vandet, før kedlen slukkede? Gentag eksperimentet og målingerne med samme mængde koldt vand, men lad denne gang låget på kedlen være åbent. Hvad sker, når der ikke er låg på kedlen? Prøv til sidst at tænde elkedlen, mens der ikke er vand i den. Hvad sker? HPFI-afbryder Hvis isoleringen omkring en elektrisk ledning går i stykker, kan der opstå en farlig situation. Der kan fx komme en spænding på 230 volt på køleskabets dør eller på metallet på bordlampen. Det er vigtigt at sørge for, at ingen kommer til skade i disse situationer. Hvis en sådan fejl er opstået, og der er en spænding på apparatets yderside, vil der ved berøring løbe en strøm fra apparatet gennem personen til jorden. Det kaldes en fejlstrøm. I forbindelse med elmåleren og sikringerne sidder der i alle installationer en fejlstrømsafbryder. Den sammenligner den strøm, der går ind i huset, med den strøm, der går ud af huset. Den ind- og udgående strømstyrke skal være ens. Hvis forskellen, dvs. fejlstrømmen, er mere end 30 ma, afbrydes strøm men til alle apparater. Det sker så hurtigt, at personen ikke når at blive skadet af strømmen gennem kroppen. Når HPFI-afbryderen yderst til venstre har afbrudt strømmen, skal man trykke knappen op for igen at åbne for strømmen. Bliver afbryderen ved med at lukke for strømmen, har man et problem, der kræver hjælp af fagfolk. 81

82 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING Anvendelser af elektronik Mange af de ting vi omgiver os med, er skabt ved at bruge en viden om grundlæggende naturvidenskabelige forhold. Og mange af de ting, der endnu ikke er opfundet, vil kræve viden om fysik og kemi. Informationerne på en cd gemmes i et mønster af små forhøjninger og fordybninger. Cd og dvd I computerens harddisk er informationer gemt magnetisk. Her er små magnetiske områder magnetiseret den ene eller den anden vej. Men informationer kan også gemmes optisk som på cd er. En cd med en diameter på 12 cm kan rumme op til 700 millioner digitale informationer. Cd en består af en tynd plastskive, der er dækket af et meget tyndt lag aluminium. Ovenpå er der et beskyttende lag lak. På plastskiven er en spiralformet bane. Banen er smal. Dens bredde er kun 0,0016 mm. I banen er lavet en række fordybninger. Banen består altså af et landskab af bakker og dale. Ved aflæsning af skiven sendes en smal laserstråle ind mod bakkerne og dalene. Højdeforskellen mellem bakkerne og dalene er 125 nanometer, dvs. 125 milliontedele millimeter. Når en tynd laserstråle rammer en kant mellem bakke og dal, vil noget af lyset blive spejlet fra toppen og noget fra bunden. Højde - forskellen er valgt sådan, at en bølgetop fra den ene spejling og en bølgedal fra den anden spejling ankommer samtidig til den fotocelle, der registrerer lyset. De to dele af lyset interfererer, så der ikke kommer lys. På den måde kan en fotocelle mærke placeringen af bakker og dale. Fotocellen måler herved et digitalt signal, der indeholder den information, der er på cd en. Ved aflæsning af dvd er benyttes en anden farve laserlys. Derfor er forhøjningerne på dvd en anderledes end på cd en. Skærmen på computeren Ser man på en computers skæm gennem en lup, opdager man en masse lodrette og vandrette streger, der afgrænser nogle meget små, lysende kvadrater. Disse kvadrater, de såkaldte pixels, kan lyse med forskellige farver og på den måde danne tekst og billeder. På en computerskærm er der næsten en million pixels. 82

83 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING De fleste moderne computerskærme benytter LCD-teknikken. Forkortelsen LCD står for Liquid Crystal Device eller på dansk: en føler med flydende krystaller. I hver af de mange pixels sidder en flydende krystal. Det er et materiale, som stopper eller lader lys passere afhængig af den spænding, der er over pixlen. På en farveskærm er der i hver pixel tre underpixels, med hver sin farve. I den elektronik, som styrer skærmen, er der til hver pixel en transistor, som bestemmer spændingen over pixlen. Der skal altså bruges flere millioner transistorer. Uden moderne mikroelektronik med integrerede kredse var fladskærmen ikke mulig. Plasmaskærmen Plasmaskærmen har som LCD-skærmen et stort antal pixels, der igen er opdelt i tre underpixels. Lyset af farverne dannes dog på en anden måde. I plasmaskærmen er der i hver pixel et materiale, der er på plasmaform. Det er en ioniseret gas, der lyser på samme måde som i et lysstofrør. Plasmaskærmens opbygning betyder, at den nemt kan laves meget større end LCD-skærmen. Plasmaskærmen viser bedre billeder end LCD-skærmen, når der ses skråt ind på skærmen. Til gengæld er plasmaskærmen den dyreste. Men nye skærmtyper vil antagelig snart komme på markedet. Udviklingen går meget hurtigt. Plasmaskærm I en plasmaskærm kan der være op til to millioner pixels, der enten kan lyse rødt, grønt eller blåt. Nogle elektroder foran og bag pixlen bestemmer om den skal lyse eller være slukket. I en LCD-skærm er bagsiden et lyspanel. Her kan de enkelte pixels lade lyset passere eller stoppe det. Kameraet Når man fotograferer, danner kameraets linse et lille billede af motivet. I gammeldags fotografiapparater dannedes billedet på en film. Her var der lysfølsomme lag, hvor der foregik kemiske ændringer under belysningen. Ved senere at lægge filmen i forskellige væsker blev der fremkaldt et billede af motivet. I dag indeholder kameraerne en eller tre små, tynde plader, de såkaldte ccd-detektorer. Forkortelsen ccd står for charge coupled device, dvs. en ladningskoblet føler. En ccd er ganske lille, ofte blot få kvadratmillimeter. På overfladen ligger en mængde små pixels. Der kan være mange millioner pixels i en ccd. Når ccd en belyses, frigives der elektroner i de enkelte pixels. Den mekanisme, der frigiver elektroner, er den samme som i fotodioderne. En stor belysning af en pixel giver mange elektroner. Herved kan et elektronisk kredsløb hurtigt registrere 83

84 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING Ccd en i et kamera Pladen på billedet indeholder mere end en million pixels. I kameraer undersøger hurtige elektroniske kredsløb lysets farve, og hvor kraftigt de enkelte pixels belyses. ladningen i de enkelte pixels. På den måde gemmes billedet digitalt. I de nyeste kameraer er ccd en erstattet af en detektor med navnet cmos. Her er der til hver enkelt af de flere millioner pixels knyttet et kredsløb med mange transistorer. Det betyder, at aflæsningen af belysningen kan foregå hurtigere end ved ccd erne. I videokameraer og i mobiltelefonernes kameraer bruges også ccd er og cmos er. I nogle kameraer splittes lyset først op i tre farver, der sendes til hver sin ccd. I andre kameraer er der filtre med forskellig farve over hver pixel. En bestemt pixel kan således modtage enten rødt, grønt eller blåt lys. Da ccd er og cmos er er langt mere lysfølsomme end gammeldags film, kan der nu benyttes op til 100 gange kortere åbningstider i kameraerne. Den effekt har stor betydning ved røntgenundersøgelser. Her kan patienten bestråles med en langt lavere dosis af farlig stråling, når registreringen foregår med en moderne detektor i stedet for på fotografiske film. Kopiark 4.11 Radar Med et radaranlæg kan man bestemme afstanden til fx skibe og fly. Et radarsignal er en elektromagnetisk bølge med næsten samme bølgelængde som strålerne i en mikrobølgeovn. Princippet i et radaranlæg. Der er udviklet fly med en overflade, der kun sender meget små ekkoer tilbage. Et sådant stealth-fly er svært at opdage med et radaranlæg. 84

85 KAPITEL 4 ELEKTRONIK OG STYRING EKSPERIMENT Hvor hurtigt kan du kaste? En timer er et apparat, der sætter 100 prikker hvert sekund på en papirstrimmel, som trækkes gennem den. Et stykke timerstrimmel på tre meter tapes omhyggeligt fast på en lille bold. Strimlen sættes i timeren. Kast nu bolden så langt væk som muligt. Mål afstanden mellem ti prikker på strimlen. Strimlen har bevæget sig 0,1 sekund, mens der er afsat ti prikker. Hvor hurtigt bevægede bolden sig? Når et radarsignal fra en antenne rammer fx et fly, vil ganske lidt af signalet som et ekko blive kastet tilbage til antennen. Her måles, hvor lang tid der gik, fra signalet blev afsendt, og til ekkoet blev modtaget. Da mikrobølgerne bevæger sig lige så hurtigt som lys, km/s, kan afstanden til flyet beregnes. Radar - antennen drejer rundt og sender stråler ud i alle retninger. En computer kan så på en skærm tegne et kort, der viser de genstande, der har givet et ekko. I dag bruges radar bl.a. af flyveledere i lufthavne og ved overvågning af skibstrafikken, fx i Storebælt. Militæret bruger radar til mange formål. Radaren blev udviklet under anden verdenskrig af englænderne, der herved fik mulighed for at opdage tyske fly, inden de ankom. Radaren fik derfor stor betydning for udfaldet af anden verdenskrig. Kopiark 4.12 Nyttige oplysninger I cd'er og dvd'er lagres informationerne som højdeforskelle, der aflæses med en laser. I en LCD-skærm åbner eller lukker de mange pixels for en lysende bagskærm. I en plasmaskærm sidder et stort antal pixels, der kan lyse eller være slukkede. I kameraer kan de mange pixels i en ccd registrere lysets styrke og farve. En radar udsender mikrobølger. Når radarsignalet rammer en genstand, dannes et ekko, der viser afstanden til genstanden. 85

86 CAFE KOSMOS VINDMØLLER Danmark er foregangsland med hensyn til bygning af vindmøller. Vi startede tidligt med udviklingen og har derfor store fabrikker, der producerer møller. Danmark er et af de lande, som får den største andel af elektriciteten fra vindmøller. Konstruktionen af vindmøller rummer mange udfordringer, hvis vinden skal udnyttes optimalt. Med de store tandhjul tæt på møllens top kan vingerne drejes om deres længdeakse. ENERGIEN I VINDEN Luft, der bevæger sig, har ligesom faste stoffer en kinetisk energi, dvs. en bevægelsesenergi. Man kan imid - lertid ikke udnytte hele denne vind - energi. Gjorde man det, ville luften ligge stille bag møllen, og der kunne ikke komme mere luft til møllen. Har vinden omvendt ikke ændret farten ret meget ved turen forbi møllen, udnytter man kun lidt af vind - energien. Man har beregnet, at en vindmølle udnytter vinden bedst muligt, hvis luftens fart bag møllen er en tredjedel af farten foran møllen. I den situation udnyttes 59 % af vindens energi. Det er umuligt for en vindmølle at udnytte mere. I praksis er en udnyttelse på 45 % det bedst mulige. Så stor en virkningsgrad har møllen dog kun ved en helt bestemt vind hastighed. I gennemsnit ved alle vindhastigheder udnyttes omkring % af vindens energi. VINGERNES VINKEL Vingerne på vindmøllen kan dreje lidt om deres længdeakse, så vin - gerne står mere eller mindre skråt i forhold til vinden. Den bedste stil - ling af vingerne er ikke den samme ved alle vindhastigheder. Hvis vindhastigheden bliver meget høj, æn - dres vingernes stilling, så de ikke påvirkes så kraftigt. Det er for at undgå et havari af møllen. Ved de meget store vindhastigheder stoppes møllen. STYRING AF VINDMØLLER For 800 år siden kom de første vindmøller til Danmark. Vingernes bevæ - gelse blev gennem store tandhjul af 86

87 CAFE KOSMOS En mølle med vindrose og krøjeværk. træ overført til nogle møllesten, der malede mel. Møllerne, de såkaldte stubmøller, stod på en tyk stolpe, en stub. Når vinden ændrede retning, måtte man med håndkraft dreje hele møllen, så vingerne igen stod vinkelret på vindretningen. I 1500-tallet blev de hollandske møl - ler opfundet. Her var det kun vin - gerne og toppen af møllen, møllehatten, der blev drejet. Drejningen blev udført automatisk med en genial styring. Bag på møllehatten sidder et hjul med små vinger, en vindrose. Vind - rosen, der er vinkelret på mølle - vingerne, roterer, når vinden blæser på den. Vindrosens rotation kan gennem en gearkasse, et krøjeværk, dreje toppen af vindmøllen. Når vinden blæser langs med vindrosen, roterer den ikke. Møllehuset står derfor stille med møllevingerne i den bedste stilling, vinkelret på vinden. Hvis vinden drejer, begynder vindrosen at rotere. Herved drejes møllehuset, så vingerne igen kommer til at stå vinkelret på vinden. På samme måde som ved de hollandske møller skal vingerne på en vindmølle indstilles, så de står vinkelret på vinden. Derfor sidder på møllehatten en vindfane, der er en plade på en drejelig pind. Vindfanen indstiller sig efter vindens retning. I møllehatten registreres den vinkel, pinden har, og møllehatten drejes. Drejningen er dog ikke mekanisk, men elektronisk styret. På møllehatten er også nogle instrumenter, der måler vindens fart. Ud fra disse målinger justeres vingernes stilling, så man får den bedste udnyttelse af energien. GEARKASSE OG GENERATOR I en vindmøllepark drejer alle møl - lernes vinger lige hurtigt rundt. Selv om vindhastigheden vokser, bli ver vingerne ved med at dreje med samme fart. Møllens generator, der sidder i toppen af møllen, skal dreje lige så hurtigt som generatorerne på kraftværkerne. Ellers producerer den ikke en vekselspænding med den 87 rigtige frekvens på 50 hertz. For at få generatoren til at rotere med den rigtige fart er der i toppen af møllen, mellem vinger og generator, en gearkasse, der sætter generatorens omdrejningshastighed op. Når vinden er svag, står møllerne stille. Når vindhastigheden stiger, begynder møllerne at dreje. El-produktionen starter dog først, når vingerne har nået den omdrejningsfart, møllen er konstrueret til. Så kobles vingerne til generatoren, der begynder at lave vekselspænding. Når vindhastigheden går op, vil gene - ratoren yde en større modstand og samtidig producere mere elektrisk energi. INSTRUMENTERING Vindmøllerne er udstyret med en lang række målere, der ud over vind - hastighed og -retning også registre - rer temperatur, omdrejningstal, elproduktion, vingernes stilling, mølle - hattens vinkel, samt en lang række oplysninger om bl.a. tilstanden af gearkasse og generator. Oplysnin - gerne gemmes i en computer. Skulle der indtræffe noget usædvanligt, kan man hurtigt stoppe møllen og starte en reparation. En vindmølle er i gennemsnit i gang i 80 % af et år. Det svarer til, at den roterer i ca timer hvert år. Det tal bør sammenlignes med en almindelig bil, der typisk skrottes, når den har kørt omkring km. Da har bilen kørt omkring 2500 timer. I den tid har bilen antagelig fået mere end 10 serviceeftersyn, dvs. et pr. 250 ti - mers kørsel. Det er derfor ikke overraskende, at vindmøller skal have et eftersyn af en service tekniker ca. en gang hver uge.

88 DET VED DU OM ELEKTRONIK OG STYRING ELEKTRONISKE KOMPONENTER STYRING En styring består i at måle en størrelse og derpå foretage en ændring, så den målte størrelse får en ønsket værdi. Resistansen af PTC-modstande ændrer sig kraftigt ved temperaturændringer. Disse modstande bruges til styring af temperaturen. HPFI-afbrydere slukker for strømmen, hvis der opstår fejlstrømme. I en diode kan strømmen kun gå i den ene retning. Dioder kan bruges til ensretning af vekselstrøm. I en transistor kan en lille strøm styre en stor strøm. INFORMATIONER PÅ VEJ Integrerede kredse, der også kaldes chips, kan indeholde flere milliarder elektroniske komponenter. En fotocelle har en resistans, der afhænger af belysningen. Et analogt signal består af en svingende elektrisk strøm. Det binære talsystem består af to tal, 0 og 1. Et digitalt signal dannes af tallene 0 og 1. Optisk kommunikation gennem lysledere er mere effektiv end elektrisk kommunikation gennem kobberledninger. ANVENDELSER AF ELEKTRONIK I cd'er og dvd'er lagres infor - mationerne som højdeforskelle, der aflæses med en laser. I en plasmaskærm sidder et stort antal pixels, der kan lyse eller være slukkede. I en LCDskærm åbner eller lukker de mange pixels for en lysende bagskærm. I kameraer kan de mange pixels i en ccd registrere lysets styrke og farve. Et hologram er et tredimensionalt billede. Billedet opstår ved interferens mellem det lys, der sendes mod en film, og lyset der reflekteres fra filmen. 88

89 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? UDFORDRING Hvordan virker en fotocelle? Hvad er et analogt signal? Hvordan virker en HPFI-afbryder? Hvad er en integreret kreds? FORSTÅR DU? Hvorfor kan en vindmølle ikke udnytte al energi i vinden? Hvordan kan de små fordybninger på en cd laves om til et elektrisk signal? Hvad vil det sige at ensrette en vekselstrøm? Hvorfor kan en transistor bruges til forstærkning? Den elektriske strøm kan kun passere i den ene retning gennem en diode. Tegn og beskriv en dims, der kan benyttes i en vandledning, så vandet kan strømme frit i den ene retning, men ikke i den anden. Find arealet af en cd. Hvad er arealet af en enkelt information på cd en, hvis der er lagret 700 millioner informationer? Skriv 26 som et binært tal. Hvad kan man bruge hologrammer til? Brug internettet til at svare på spørgsmålet. 89

90 KAPITEL 5 Kemiske

91 metoder DEN NATURVIDENSKABELIGE METODE SALTE ANALYSE OG RENSNING KEMI OG ELEKTRICITET CAFE KOSMOS: SALT REDDER LIV Ofte hører man i medierne, at der er fundet et sundhedsfarligt stof i fx mad, kosmetik, legetøj eller andet. Det er kemikere, der ved en analyse, har fundet det farlige stof. Kemikerne hjælper politiet med at opklare forbrydelser. Gift, blod, tråde fra tøj, maling fra biler og jord på skoene kan analyseres for at afgøre, om en person er skyldig eller uskyldig. En kemiker skal være som en god detektiv, der lader alle muligheder stå åbne, indtil sagen er undersøgt til bunds. Kemikere, fysikere og andre naturvidenskabelige forskere har en måde at arbejde på, der kaldes den naturvidenskabelige metode. Har saltlakrids noget med køkkensalt at gøre? Hvad er analyse i en dansktime og i en kemitime? Kan man fjerne sukkeret i en sodavand? Hvad er destilleret vand? Hvordan lægger man et tyndt lag guld på et billigt metal, så man tror, at det hele er guld? 91

92 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Den naturvidenskabelige metode Den naturvidenskabelige metode bruges inden for de naturvidenskabelige fagområder, specielt fysik og kemi. Man bør altid bruge denne metode ved eksperimentelt arbejde. Ved at bruge den naturvidenskabelige metode har vi udviklet biler, fly, radio, fjernsyn, telefon og alle andre tekniske hjælpemidler. Kosmetik, medicin og sundere mad er også udviklet ved brug af den naturvidenskabelige metode. Francis Bacon, engelsk filosof ( ). Francis Bacon har beskrevet, hvordan man bør arbejde eksperimentelt. Det kaldes i dag den naturvidenskabelige metode. Naturvidenskabelig tænkning 1. Det er underligt 2. Hvad sker der, hvis 3. Jeg tror, at svaret er 4. Man kunne jo prøve, at 5. Jeg vil kun undersøge én ting ad gangen 6. Jeg laver et forsøg 7. Resultaterne viser, at 8. Så var min antagelse rigtig/forkert Opfinderen af den naturvidenskabelige metode Englænderen Francis Bacon beskrev for fire hundrede år siden nogle metoder, der senere er blevet kaldt den naturvidenskabelige metode. Bacon mente, at al viden udelukkende skal komme fra iagttagelser og resultater af eksperimenter. Det er ikke godt nok at læne sig tilbage i stolen og tænke over naturens opbygning. Man er nødt til at udføre eksperimenter. Ellers kan man ikke finde naturens sande opførsel. Rækkefølgen i den naturvidenskabelige metode Den naturvidenskabelige metode begynder med, at man ser noget og undrer sig. Man stiller et spørgsmål, der ved at blive besvaret, kan give svaret på det, man undrede sig over. Svaret på spørgsmålet kalder man en antagelse eller en hypotese. Herefter udtænker man et eksperiment, der kan vise, om antagelsen er rigtig eller forkert. I eksperimentet må man kun undersøge én ting ad gangen. Når eksperimentet er udført, ser man på resultatet af eksperimentet. Hvad bliver konklusionen? Er antagelsen bekræftet? Man har altså gennemført en undersøgelse for at efterprøve en antagelse. Resultatet har vist, om antagelsen var rigtig eller forkert. Det skaber straks nye spørgsmål, som Hvad ved jeg nu? Det kan give baggrund for ny undren, hvor man kan stille spørgsmålet Hvad nu hvis...?. Herved er man allerede inde i næste omgang af den naturvidenskabelige metode. Det nye spørgsmål kan føre til en ny antagelse, som kan afprøves ved et eksperiment. Det kan så vise, om den nye antagelse er rigtig eller forkert. Kopiark 5.1 og

93 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Den naturvidenskabelige metode anvendt på rødkål Ved tilberedning af rødkål bruger man snittet rødkål, æbler, eddike, ribssaft, sukker og salt. Rødkål er rødviolet, men ved sammenblanding af stofferne skifter rødkålen farve til rød. Undren: Spørgsmål: Antagelse: Eksperiment: Resultat: Konklusion: Nogle gange er rødkål rødviolet, men den kan også være rød. Er årsagen til den røde farve et stof, som man tilsætter rødkålen? Hvis man tilsætter sukker, bliver rødkålen rød. Man tilsætter sukker og kun sukker til rødkål. Rødkålen ændrer ikke farve. Det kan altså ikke være sukker, der farver rødkål rød. Ny antagelse: Nyt eksperiment: Resultat: Konklusion: Det kan være salt, der får rødkålen til at blive rød. Man tilsætter salt og kun salt til en ny portion rødkål. Rødkålen ændrer ikke farve. Det er heller ikke salt, der farver rødkål rød. Ny antagelse: Nyt eksperiment: Resultat: Konklusion: Undren: Det kan være eddike, der får rødkålen til at blive rød. Man tilsætter eddike og kun eddike til en ny portion rødkål. Rødkålen bliver rød. Eddike farver rødkål rød. Den sidste antagelse var rigtig, men nu melder en ny undren sig. Bliver rødkålen rød, fordi det netop er eddike, vi hælder i, eller er det fordi, eddike er en syre? Det var spørgsmålet. Nu kommer antagelsen. Antagelse: Nyt eksperiment: Resultat: Konklusion: Undren: Det er ikke alle syrer, men kun eddike, der giver rødkål en rød farve. Man hælder et andet surt stof, fx citronsaft, ned i en ny portion rødkål. Rødkålen bliver rød. Det er altså sure stoffer som eddike og citronsaft, der farver rødkål rød. Nu kan man undre sig over, om det er alle syrer, der farver rødkål rød. Det kan man efterprøve ved nye eksperimenter. 93

94 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Nogle variable i fysik og kemi Navn Længde Rumfang Masse Tid Fart Temperatur Energi Strømstyrke Symbol l V m t v T E I En mulig værdi 2 m 1 m 3 0,5 kg 10 s 5 m/s 20 C 1000 J 0,2 A Nyttige oplysninger Den naturvidenskabelige metode benytter eksperimenter til at bekræfte eller afkræfte en antagelse (hypotese). Variable har en værdi. En uafhængig variabel får sin værdi fastlagt ved starten af et eksperiment, dvs. vi bestemmer værdien. En afhængig variabel viser først sin værdi under eller efter et eksperiment. Variable I fysik og kemi gør man observationer. Man holder fx øje med farverne, og man måler med forskellige instrumenter, fx et måleglas eller et amperemeter. Det man ser, og det man måler, kaldes variable, og de har en værdi. Fx kan variablen farve have værdierne: rød, grøn, blå osv. Hvis man bruger et måleglas, er rumfanget en variabel. Værdien for denne variabel kan fx være 21 ml. Måler man ph-værdien, er ph-værdien en variabel. Værdien kan ligge fra 0 og op til 14. Afhængige og uafhængige variable Ved mange eksperimenter er det naturligt at dele de variable op i afhængige og uafhængige variable. Når det er os, der ved starten af et eksperiment bestemmer værdien af en variabel, er den en uafhængig variabel. Hvis vi vil undersøge svingningstiden for et pendul, er det os, der bestemmer, hvor lang snoren skal være. Vi kan måle længden af snoren, inden eksperimentet startes. Pendullængden er derfor en uafhængig variabel. Den målte længde er værdien af denne uafhængige variabel. Når vi sætter pendulet i gang, kan vi måle svingningstiden. Den er også en variabel. Gør vi pendulet længere, viser det sig, at svingningstiden også bliver længere. Svingnings tiden afhænger altså af længden af pendulet, og derfor er svingningstiden en afhængig variabel. Værdien af den afhængige variabel afhænger af værdien af den uafhængige variabel. Værdierne kan sættes ind i et skema, fx som dette: Længde af pendul/m 1,0 2,0 Svingningstid/s 2,0 2,8 I et andet forsøg hælder man syre fra et måleglas ned i noget vand og måler ph-værdien. Det er os, der bestemmer, hvor meget syre vi hælder i. Rumfanget af syren er derfor den uafhængige variabel, mens ph-værdien er den afhængige variabel. Hvis vi drypper lidt af opløsningen på noget indikatorpapir, så bliver det farvet. Her er indikatorpapirets farve en afhængig variabel. Dens værdi, nemlig farven, bestemmes af den uafhængige variabel, ph-værdien i opløsningen. Kopiark 5.3 og

95 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Salte Når man taler om salt, mener man normalt køkkensalt. Det kemiske navn for køkkensalt er natriumchlorid, og det har den kemiske formel NaCl. Men ordet salt er i kemien ikke kun et navn for et enkelt stof. Det er betegnelsen for en gruppe af stoffer. Køkkensalt er således bare et af mange salte. Opbygningen af køkkensalt Køkkensalt er stoffet natriumchlorid, NaCl, men det er ikke opbygget af neutrale natrium- og chlor-atomer. Køkkensalt er opbygget af positive natrium-ioner, Na +, og negative chloridioner, Cl. Natrium-ionen dannes, når et atom af metallet natrium afgiver en elektron. Reaktionen kan skrives: Et natrium-atom kan afgive en elektron til et chlor-atom. Natrium-atomet bliver til en natrium-ion, Na +. Chlor-atomet bliver til en chlorid-ion, Cl. Na Na + + en elektron Chlorid-ionen dannes, når et atom af ikke-metallet chlor optager en elektron. Reaktionen kan skrives: Cl + en elektron Cl Ionerne dannes, fordi atomerne herved får samme antal elektroner som en ædelgas. Ædelgasserne er de grundstoffer, der står i 8. hovedgruppe i det periodiske system. Ædelgasserne har deres yderste elektronskal helt fyldt op. Helium-atomet, grundstof nr. to, har første skal fyldt helt op. Der kan være to elektroner. Den næste ædelgas er neon, grundstof nr. 10. Atomet har to elektroner i første skal, og otte elektroner i anden skal. Hermed er anden skal fyldt helt op, da der kan være netop otte elektroner. En ion bliver altså særlig stabil, når den har samme elektronfordeling som en ædelgas. Denne erfaring kaldes ædelgasreglen. Da køkkensalt er opbygget af ioner, burde formlen egentlig skrives Na + Cl, men man skriver NaCl, det er nemmere. Køkkensalts iongitter Alle salte er opbygget af ioner, dvs. positive og negative ioner. I en krystal af natriumchlorid holdes natrium-ionerne og chlo- Natriumchlorids iongitter Natrium-ionerne er tegnet sølvfarvede og chlorid-ionerne grønne. Stregerne mellem kuglerne forestiller den kemiske binding mellem ionerne. I virkeligheden er natrium-ionerne kun halvt så store som chlorid-ionerne, og ionerne støder helt op til hinanden. Derfor er den nederste tegning nærmere virkeligheden. 95

96 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Nogle positive ioner i salte Na + K + Ag + Ca 2+ Mg 2+ Zn 2+ Al 3+ natrium-ion kalium-ion sølv-ion calcium-ion magnesium-ion zink-ion aluminium-ion Salmiak i slik Saltlakrids er populært i de nordiske lande, i Nordtyskland, Holland og i de baltiske lande. Der er ikke køkkensalt i saltlakrids, men en anden form for salt, ammoniumchlorid, NH 4 Cl, der ofte kaldes salmiak. Saltlakrids er en form for lakrids, der indeholder op til 8 % ammoniumchlorid. Det har en speciel krydret smag. Hvor det almindelige lakrids har mange gode egenskaber, så er ammoniumchlorid ikke sundt. rid-ionerne sammen af den elektriske tiltrækning mellem de positive og de negative ioner. Der er lige mange positive og negative ioner. I alle retninger i hele krystallen er der skiftevis en positiv og en negativ ion. Det kaldes et iongitter. Alle salte holdes sammen i iongitre. På tegningen af natriumchlorids iongitter kan man se, at hver natrium-ion er omgivet af i alt seks chlorid-ioner: fire i samme plan, en lige over, og en lige under. På samme måde er hver chlorid-ion omgivet af seks natrium-ioner. Det gælder selvfølgelig ikke på krystallens overflade, men for ionerne inde i krystallen. Fx indeholder en én millimeter stor saltkrystal næ - sten ioner, dvs ioner. Tallet er så stort, at det svarer til at tælle alle sandkorn langs Jyllands vestkyst fra syd til nord. De positive ioner i salte I de fleste salte er den positive ion en metal-ion. I salte findes dog en positiv ion, der ikke er en metal-ion. Det er en ammonium-ion, NH + 4. Den er opbygget af et nitrogen-atom og fire hydrogen-atomer. Denne ion findes fx i saltet ammoniumchlorid, NH 4 Cl, der også kaldes salmiak. Dette salt smager af lakrids, og det findes i mange former for slik. De negative ioner i salte De negative ioner i salte kommer ofte fra en syre. Fx kommer chlorid-ionen, Cl, i køkkensalt fra saltsyre, HCl. Chloridionen kaldes syreresten fra saltsyre, dvs. det der er tilbage, når saltsyren har afgivet sin hydrogen-ion, H +. På samme måde findes syreresten fra andre syrer ved at fjerne hydrogen-ionerne fra syren. Svovlsyre har formlen H 2 SO 4, og man finder formlen for syreresten ved at fjerne de to hydrogen-ioner. Tilbage er ionen SO 2 4, en sulfat-ion. Nogle negative ioner i salte Ionen kommer fra syren Cl chlorid-ion Saltsyre HCl 2 SO 4 NO 3 2 CO 3 3 PO 4 sulfat-ion nitrat-ion carbonat-ion phosphat-ion Svovlsyre H 2 SO 4 Salpetersyre HNO 3 Kulsyre H 2 CO 3 Phosphorsyre H 3 PO 4 96

97 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Saltes navne Navnet på et salt er sammensat. Første del er navnet på metallet, som metal-ionen kommer fra, og anden del er navnet på den negative ion. Køkkensalts kemiske navn er derfor natriumchlorid. Endelsen id i den negative ion bruges, når der kun er et enkelt grundstof i ionen. Når grundstoffet oxygen er med i ionen bruges endelsen at. Negativ ion Cl 2 SO 4 NO 3 2 CO 3 Saltets navn metalnavn -chlorid metalnavn -sulfat metalnavn -nitrat metalnavn -carbonat Saltes kemiske formler Den kemiske formel for et salt bestemmes af følgende: Antallet af positive ioner og negative ioner i et salt skal være således, at den kemiske formel for saltet bliver neutral, dvs. hverken positiv eller negativ. Formlen for køkkensalt, NaCl, viser, at der er lige mange natrium- og chlorid-ioner. Forholdet er 1:1. På tilsvarende måde viser formlen for saltet calciumchlorid, CaCl 2, at der i krystallerne er dobbelt så mange chlorid-ioner som calcium-ioner. Forholdet er 1:2. Den samlede ladning af de tre ioner i CaCl 2 skal være nul, dvs. (ladningen af Ca 2+ -ionen) + (ladningen af en Cl -ion) + (ladningen af en Cl -ion) = 0. I aluminiumchlorid, AlCl 3, findes aluminium-ioner, Al 3+, og chlorid-ioner, Cl. Derfor er der tre gange så mange chloridioner som aluminium-ioner. Forholdet er 1:3. Den samlede ladning af de fire ioner i AlCl 3 skal være nul, dvs. (3+) + (1 ) + (1 ) + (1 ) = 0. I sølvsulfat, Ag 2 SO 4, har sølv-ionen, Ag +, en enkelt positiv 2 ladning, mens sulfat-ionen, SO 4, har to negative ladninger. Derfor er der dobbelt så mange sølv-ioner, som sulfat-ioner. Forholdet er 2:1. Den samlede ladning i Ag 2 SO 4 er nul. I natriumphosphat, Na 3 PO 4, har natrium-ionen en enkelt 3 positiv ladning, mens phosphat-ionen, PO 4, har en negativ ladning på tre. Derfor er der tre gange så mange natriumioner, som phosphat-ioner. Forholdet er 3:1. Na 3 PO 4 er neutralt, for (+) + (+) + (+) + (3 ) = 0. Kopiark 5.5 Nogle salte NaCl Ioner i saltet Na + Cl CaCl 2 Ca 2+ 2 Cl AlCl 3 Al 3+ 3 Cl KNO 3 K + NO 3 CaCO 3 Ca 2+ 2 CO 3 Ag 2 SO 4 2 Ag + 2 SO 4 Na 3 PO 4 3 Na + 3 PO 4 Nyttige oplysninger Salte er sammensat af positive og negative ioner. Køkkensalt er natriumchlorid, NaCl. I et salt er den negative ion ofte en syrerest, fx SO 2 4. En opløsning af salt i vand kan lede elektrisk strøm. Opløsning af salte i vand Mange salte er uopløselige i vand, fx mange bjergarter. De positive og negative ioner tiltrækker hinanden så kraftigt, at vandmolekylerne ikke kan skille ionerne. Hvis bjergarterne var letopløselige, ville bjergene for længst være opløst og skyllet væk. 97

98 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Den lysende agurk Syltede agurker ligger i en lage af eddike og vand med lidt salt i. En sikkerhedsskærm sættes op. Der sættes en kobberstang eller et stort søm i hver af to polstænger. Kobberstangen eller sømmene trykkes lidt ind i enderne af en syltet agurk. Polstængerne forbindes til netspændingen. Herefter må opstillingen ikke berøres. Lyset dæmpes i lokalet, eventuelt mørklægges det. Der tændes for strømmen. EKSPERIMENT Efter kort tid lyser agurken gul. Den lugter også, men der dannes ingen sundhedsskadelige dampe. I agurken er det natrium-ionerne og chloridionerne, som bærer den elektriske strøm. Den elektriske strøm opvarmer agurken så meget, at væsken i agurken fordamper. Elektronerne i natrium-atomerne bliver anslået, og når de falder tilbage til grundtilstanden, ses den gule flammefarve fra natrium. Læs om dette på side 10 og 99. Andre salte, fx køkkensalt, NaCl, er letopløselige i vand. Når køkkensalt kommer i kontakt med vand, går ionerne fra kry - stallen ud i vandet. Reaktionen kan skrives: NaCl Na + + Cl Når en saltkrystal opløses i vand, rives ionerne ud af krystallen og flyder rundt mellem vandmolekylerne. De faste salte kan ikke lede elektrisk strøm, for ionerne sidder på deres pladser i iongitret, og de kan ikke flytte sig. Hvis et salt kan opløses i vand, kommer der ioner i vandet, og nu kan vandet lede elektrisk strøm. Kaliumnitrat, KNO 3, er et stof, der tilsættes bacon og pastrami. Når saltet opløses i vand, dannes kalium-ioner og nitrat-ioner. Kopiark 5.6, 5.7 og

99 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Analyse og rensning Kemikere undersøger ofte ved analyser, hvilke stoffer der er i et materiale. Er denne medicin ren nok til, at patienterne ikke tager skade?, Er der skadelige stoffer i maden?. Næsten alt, hvad vi spiser, drikker eller bruger i dagligdagen, har på et eller andet tidspunkt været gennem en analyse. Kemikere kontrollerer, hvor godt man ved en rensning har fjernet bestemte stoffer i et materiale. Påvisning af ioner, flammefarve Ved hjælp af flammefarven kan man undersøge, om der er bestemte ioner i en opløsning. Man holder en dråbe af opløsningen ind i en bunsenbrænderflamme, der får forskellig farve, alt efter hvilken ion der er i opløsningen. Det er kun metalioner, der kan påvises på denne måde, men det gælder ikke alle metal-ioner. Man kan påvise ioner af natrium, calcium, kalium, kobber, lithium og strontium. I det følgende vises, hvordan man kan påvise andre ioner, blandt andet de negativt ladede ioner. I øvelserne i kopimappen er vist, hvordan man kan påvise mange flere ioner. Påvisning af chlorid-ionen, Cl Saltvand indeholder natriumchlorid, der er opløst som natriumioner og chlorid-ioner. Hvis man tilsætter lidt sølvnitrat, AgNO 3, vil der dannes et hvidt bundfald. Bundfaldet består af sølvchlorid, AgCl. Det er tungtopløseligt. Sølvnitrat er ligesom natriumchlorid letopløseligt. I opløsningen er der sølv-ioner, Ag +, og nitrat-ioner, NO 3. Ved sam - menblandingen af saltvandet og sølvchlorid-opløsningen er der fire ioner: Ag +, NO 3, Na + og Cl. Kun sølv-ionerne og chloridionerne reagerer med hinanden og danner det hvide bundfald, sølvchlorid. Reaktionen kan skrives: Ag + + Cl AgCl Den gule flammefarve viser, at der er kommet natrium-ioner, Na +, ind i flammen. Na + Cl _ Ag + Na + AgCl Chlorid-prøve Chlorid-ioner danner bundfald med sølv-ioner. Natrium-ionerne og nitrat-ionerne reagerer ikke med andre stoffer. Sådanne ioner kaldes tilskuer-ioner. De skal ikke skrives med i reaktionen. Man skriver heller ikke vandmolekylet med i reaktionen, hvis vand ikke deltager i reaktionen. 99

100 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Regel for kemiske reaktioner Antallet af atomer af hvert grundstof skal være det samme før og efter en reaktion. Påvisning af sulfat-ionen SO 4 2 På samme måde som ved påvisning af chlorid-ioner kan man ved dannelse af et bundfald påvise mange andre ioner. Sulfationer kan påvises ved tilsætning af bariumchlorid, BaCl 2, der er letopløseligt. Sulfat-ionerne danner bundfald som bariumsulfat, BaSO 4, der er tungtopløseligt. Chlorid-ionerne, Cl, er tilskuer-ioner. Reaktionen kan skrives: Ba 2+ + SO 4 2 BaSO 4 2 Påvisning af carbonat-ionen CO 3 Når man tilsætter fortyndet saltsyre, HCl, til et stof, der indeholder carbonat-ioner, vil det begynde at bruse. Det er luftarten carbondioxid, CO 2. Denne luftart kan påvises med mættet kalkvand eller med CO 2 -indikator. + Påvisning af ammonium-ionen, NH 4 Når man tilsætter basen natriumhydroxid, NaOH, til et stof, der indeholder ammonium-ioner, NH + 4, vil luftarten ammoniak, NH 3, blive frigivet. Det kan lugtes. Ammoniak har en særlig lugt. Den vil man kunne huske. Når man skal lugte til et ukendt stof, gøres det ikke ved at sætte næsen ned til glasset. Man skal i stedet med hånden vifte lidt af luften over glasset hen under næsen. Efterhånden kan man tage glasset tættere på næsen. Regler for opskrivning af kemiske reaktioner Kemikere opskriver reaktionsskemaer for at beskrive, hvad der sker i en kemisk reaktion. Der skal holdes styr på antallet af atomer. For at være sikker på, at en reaktion er skrevet rigtigt, skal følgende regel overholdes: Antallet af atomer af hvert grundstof efter reaktionen skal være det samme som før reaktionen. Reglen siger, at antallet af atomer af et grundstof på venstre side af pilen skal være det samme som antallet af atomer af samme grundstof til højre for pilen. Når metallet magnesium brænder, dannes magnesium oxid. Reaktionen kan skrives: 2 Mg + O 2 2 MgO I reaktionsskemaet er der fire atomer til venstre for pilen og 100

101 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Termometer Kolbe Svalerør Destilleret vand Destillation af saltvand Saltvandet opvarmes i kolben. Ved kognin gen fordamper vandet, mens saltet i vandet bliver i kolben. Vanddampen fortættes på sin vej gennem det kolde svalerør, der i den ydre del er fyldt med koldt vand. Ud af svalerøret kommer destilleret vand. Kølevand fire til højre for pilen. Der er to magnesium-atomer til venstre for pilen og to til højre. Der er to oxygen-atomer til venstre for pilen og to til højre. Reaktionen er altså rigtigt opskrevet. Man må ikke kun skrive: Mg + O 2 MgO, for så er der to oxygen-atomer før reaktionen og kun ét efter. Og atomer kan ikke forsvinde. Derfor vil de atomer, der er til stede før en kemisk reaktion, også være der efter reaktionen. Ved den kemi - ske reaktion har atomerne blot bundet sig til andre atomer. Rensning af stoffer Man kan rense en blanding af flere stoffer ved at fjerne nogle af dem. Nedenstående rensningsmetoder er tidligere beskrevet. Ved sedimentering falder et fast stof ned på bunden af en væske. Der dannes et bundfald. Ved dekantering hælder man forsigtigt væsken over et bundfald fra, så bundfaldet ikke kommer med. Ved centrifugering tvinges små faste partikler ned som et bundfald. Ved filtrering fjernes større faste partikler fra en væske. Ved inddampning koges en væske væk, så kun de opløste stoffer bliver tilbage. Sedimentering Til venstre ses en opslæmning. Efter et stykke tid ses i midten, at de største partikler er faldet til bunds, men væsken er stadig uklar. Efter lang tid ses til højre, at næsten alle partikler er faldet til bunds. Over bundfaldet er en klar væske. Den kan dekanteres fra. En anden vigtig metode er destillation. Destillation Man kan ikke fjerne saltet i saltvand eller sukkeret i en sodavand ved en filtrering. Kun hvis en væske indeholder faste par- 101

102 KAPITEL 5 KEMISKE METODER På store skibe og boreplatforme fremstiller man drikkevand ved at destillere havvand. Nyttige oplysninger Chorid-ioner, Cl, påvises ved tilsætning af sølvnitrat, AgNO 3. Sulfat-ioner, SO 2 4, påvises ved tilsætning af bariumchlorid, BaCl 2. Carbonat-ioner, CO 2 3, påvises ved tilsætning af syre. Ammonium-ioner, NH + 4, påvises ved tilsætning af base. Antallet af atomer af hvert grundstof skal være det samme før og efter en reaktion. Destilleret vand er helt rent vand uden opløste stoffer. Ionbyttet eller demineraliseret vand er vand uden opløste ioner. Tilskuer-ioner er ioner, der ikke deltager i en reaktion. tikler, kan det fjernes ved en filtrering. Hvis stoffet er opløst i væsken, kan det ikke fjernes ved filtrering, men ved destillation. Hvis man vil destillere en vandig opløsning, opvarmes opløsningen til kogepunktet. Vandet fordamper, mens de op - lø ste stoffer bliver tilbage. Vanddampen ledes gennem et såkaldt svalerør, hvor dampen afkøles, så den fortætter. Dette fortættede vand kaldes destilleret vand. Det er helt rent, uden opløste stoffer. I naturen foregår en destillation i stor målestok. Solen får vand til at fordampe fra havene, mens saltene bliver i havvandet. Vanddampen bliver til skyer og ender som regn. Det er de - stilleret vand, bortset fra de stoffer regndråberne opsamler fra forurening i luften. I ørkenområder og på mange mindre øer er der ikke ferskvand. I lande som fx Kuwait fremstiller man ferskvand ved at destillere havvand. Destillationen afsalter havvandet. I Danmark får vi vores drikkevand fra grundvandsboringer, men mange frygter, at grundvandet i fremtiden ikke længere vil kunne drikkes, se side 165. Da destillation af havvand koster det 102

103 KAPITEL 5 KEMISKE METODER EKSPERIMENT Destillation af farvet vand Det tomme reagensglas holdes med en træklemme og trykkes ned til bunden af bægerglasset, der er fyldt med koldt vand. Reagensglasset til venstre fyldes ca. en tredjedel op med farvet vand. Der lægges et par pimpsten ned i glasset. Det opvarmes forsigtigt med en bunsenbrænder. Efter kort tid strømmer der vanddamp gennem glasrøret over til det højre reagensglas, hvor vanddampen fortættes. Vandet er helt klart, uden farvestof. samme som at benytte grundvand, skal vi måske i fremtiden drikke destilleret havvand? Ionbyttet vand (demineraliset vand) Man kan rense vand ved en billigere metode end destillation. I stedet for destilleret vand får man ionbyttet vand, eller som det også kaldes, demineraliseret vand. Det almindelige vand sendes gennem en ionbytter. Det er en beholder, der indeholder en porøs plast med mange hydrogen-ioner, H +, og hydroxid-ioner, OH _. Når vandet strømmer gennem ionbytteren, udskiftes de positive ioner i vandet med hydrogen-ioner, og de negative ioner i vandet med hydroxid-ioner. Disse to ioner reagerer med hinanden og danner vandmolekyler. Kopiark 5.9, 5.10, 5.11 og

104 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Elektrolyse + Kemi og elektricitet Opløser man et salt i vand, spaltes saltet i positive og negative ioner. Hvis man sætter to metalstænger ned i opløsningen og sætter stængerne i forbindelse med en jævnstrømskilde, går der strøm gennem opløsningen. Hvis saltet er køkkensalt, NaCl, er der natrium-ioner, Na +, og chlorid-ioner, Cl _ i vandet. Ionerne leder den elektriske strøm Elektrolyse Ved en elektrolyse sendes der strøm gennem en opløsning. Det kan kun lade sig gøre, hvis der er ioner i opløsningen. En opløsning, der kan lede den elektriske strøm, kaldes en elektrolyt. Stængerne, der sættes ned i væsken, kaldes elektroder. Når der sendes strøm gennem en elektrolyt, er det ioner, der van - drer hen til elektroderne. I ledningerne er den elektriske strøm elektroner, der flyttes i metallet. Elektrolyse af kobberchlorid Når saltet kobberchlorid, CuCl 2, opløses i vand, dannes kobber-ioner og chlorid-ioner, Cu 2+ og Cl _. Kobber-ionerne er positive. De bevæger sig mod den negative pol. Chlorid-ionerne er negative. De går mod den positive pol. Når en kobber-ion, Cu 2+, når hen til den negative elektrode, optager kobber-ionen to elektroner fra elektroden. Herved bliver kobber-ionen til et kobber-atom. Det sætter sig fast på overfladen af elektroden. Reaktionen kan skrives som: Cu elektroner Cu Når en chlorid-ion, Cl, rammer den positive elektrode, overføres en elektron fra chlorid-ionen til elektroden. Chloridionen omdannes herved til et chlor-atom. Denne reaktion kan skrives som: Cl _ Cl + en elektron Når der er dannet to chlor-atomer, binder de sig sammen til et chlormolekyle, Cl 2. Chlormolekylerne løsriver sig fra elektrodens overflade og bobler op gennem opløsningen. Ved elektrolyse af en opløsning af kobber-ioner og chloridioner fremstilles altså rent kobber og luftarten chlor. 104

105 KAPITEL 5 KEMISKE METODER EKSPERIMENT Elektrolyse af kobberchlorid Der hældes lidt kobberchlorid-opløsning i et bægerglas. To stænger af grafit sættes ned i opløsningen. De er elektroder. Man bruger ofte elektroder af grafit, for hvis elektroderne er af metal, kan de måske reagere med ionerne i opløsningen. Hvis man bruger stænger af grafit, sker det ikke, for grafit er rent carbon. Det reagerer ikke med ioner. Elektroderne forbindes til en jævnstrømskilde, og der skrues lidt op for strømstyrken. Efter ca. et minut slukkes for strømmen, og stængerne tages op. Det er tydeligt, at den ene stang er overtrukket med kobber, og at den anden stang lugter af luftarten chlor. Teknisk anvendelse af elektrolyse Hvis elektrolytten er et sølvsalt, og man bruger en metalgenstand som den negative pol, vil genstanden blive forsølvet. Hvis man bruger et guldsalt, bliver genstanden forgyldt. Kopiark 5.13 Kemisk beskyttelse mod rust Når man ved elektrolyse lægger en metaloverflade på en genstand, kaldes processen galvanisering. Mange jerngenstande galvaniseres, så de får en zinkoverflade. Herved ruster genstandene ikke så hurtigt. En sådan zinkgalvanisering ses fx på søm, skruer og lygtepæle. Vandhaner er ofte lavet af den gule legering, messing. Ved elektrolyse lægges et lag chrom ovenpå. Elementer og batterier I daglige tale bruger mange ordet batteri på en måde, som ikke er korrekt. Det mange kalder et batteri, kalder fysikerne et element. Først når flere elementer sættes sammen, har man et batteri. Alle elementer er opbygget af to elektroder med en elektrolyt imellem. Elektroderne skal være af hvert sit stof. Der findes mange forskellige slags elementer. Forskellen mellem dem er elektrolytten og de stoffer, der bruges som elektroder. For at jern ikke skal ruste, kan man ved elektrolyse lægge et tyndt lag af metallet nikkel oven på jernet. Herefter lægger man ved en ny elektrolyse et lag chrom oven på nikkellaget. Nu er overfladen forchromet. Den skinner flot. Den er meget hård, og den ruster ikke. 105

106 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Citron-element Spændingsforskellen mellem zink og kobber er så stor, at et elektrisk ur kan holdes i gang af to citron-elementer. Mellem de to elektroder vil der være en spændingsforskel. Sætter man et stykke zink og et stykke kobber ned i en citron, har man et zink-kobber-element. Man kan måle en spændings - forskel på ca. en volt. Kobber- og zinkstykket er elektroder. Saften i citronen er elektrolytten. Kopiark 5.14 og 5.15 Redox-proces Hvis man forbinder en elektrisk pære til de to elektroder i et element, vil der gå en strøm fra elementet gennem ledningerne og pæren. Inde i elementet flyttes elektroner fra den ene elektrode gennem elektrolytten over til den anden elektrode. Elektronerne, der løber gennem pæren, kommer fra elektroden med overskud af elektroner og løber hen til elektroden med underskud af elektroner. En sådan proces, hvor der flyttes elektroner fra et stof til et andet, kaldes en redox-proces. I et citronelement er det zinkstykket, der afgiver elektroner. Kobberet optager elektroner. Stoffet, der afgiver elektroner, bliver oxideret, mens stoffet, der modtager elektroner, bliver reduceret. I citronelementet er det zink, der bliver oxideret, og kobber-ioner der reduceres. De to reaktioner kan skrives: Zn Zn elektroner Cu elektroner Cu zink oxideres kobber-ioner reduceres Kopiark

107 KAPITEL 5 KEMISKE METODER Knapceller I ure og høreapparater bruges små elementer. De kaldes knapceller. De er ofte zink-sølvoxid elementer. Zink-sølvoxid-element Zink-sølvoxid-elementet Den ene elektrode består af zinkpulver. Den anden af sølvoxid, Ag 2 O. Når elementet leverer strøm, afgiver zink-atomerne elektroner og bliver til zink-ioner, Zn 2 +. Zink oxideres. Elektronerne fra zink løber gennem den ydre ledning og kommer ind i den anden ende af elementet. Her reagerer de med sølv-ionerne i sølv-oxid. Sølv-ionerne optager elektroner og bliver til frit sølv. Sølv-ionerne bliver altså reduceret. Denne reaktion kan skrives som: Ag + + en elektron Ag Lithium-batterier Batteriet i mobiltelefoner, bærbare computere og fotografiapparater er ofte sammensat af lithium-elementer. Dette element er verdensmester blandt elementerne, fordi det kan oplagre mest energi i forhold til sin størrelse. Spændingsforskellen er også meget høj, ca. 3 V. Samtidig kan lithium-elementer oplades igen og igen, og de kan holde helt op til ti år, før de er slidt ned. Den ene elektrode er af metallet lithium, og den anden indeholder chrom-ioner i en kemisk forbindelse. Lithium afgiver elektroner (oxideres). Chrom-ionerne optager elektroner og bliver til metallet chrom (reduceres). Nyttige oplysninger Ved en elektrolyse sendes strøm gennem en opløsning. En elektrolyt er en opløsning, der kan lede elektrisk strøm. En elektrode er en metal- eller grafitstang, der sættes ned i en væske. Ved en galvanisering lægges en metaloverflade på en genstand. Et batteri er sammensat af flere elementer. Ved en redox-proces flyttes der elektroner. Et stof oxideres, når det afgiver elektroner. Et stof reduceres, når det optager elektroner. 107

108 CAFE KOSMOS SALT REDDER LIV Til hospitalerne i Danmark fremstilles der hver uge omkring liter isotonisk saltvand. DROP PÅ HOSPITALET På lægesprog kaldes behandlingen intravenøst drop. Et tyndt, sterilt metalrør en kanyle stikkes ind i en vene, en blodåre, der ligger lige under huden. Ofte bruges en vene på håndens overside. Kanylen sættes fast på huden med et hæfteplaster. Kany len er gennem en slange forbundet til en plastpose med den væske, der skal ind i kroppen. Lige under posen er en gennemsigtig drypbeholder, hvor man kan regulere, hvor hurtigt væsken skal dryppe ned i slangen. Posen hænges op i et stativ, så den er højere oppe end patienten. Herfra vil væsken ved hjælp af tyngdekraften af sig selv kunne løbe ind i patienten. Hvis posen ikke er placeret højere oppe end patienten, vil blodet løbe ud af patienten. Ambulancen er lige ankommet, og straks bliver patienten tilset af en læge, der beslutter: Patienten skal have drop. Det er for mange patienter den første behandling. De skal have væske ind i kroppen. 108 I de fleste tilfælde får patienten drop med en saltvandsopløsning. Indholdet af salte i opløsningen skal være det samme som i blodet. Her er der mest af almindeligt køkkensalt, dvs. natriumchlorid, NaCl. I opløsningen er der 9 g salt pr. liter vand. En sådan opløsning kaldes isotonisk. I øjenskylleflaskerne i kemilokalet er der også en isotonisk saltvandsopløsning.

109 CAFE KOSMOS Drop gives bl.a. til brandsårspatienter, til folk i chok og til forvirrede personer, der ikke har drukket vand nok og derfor er dehydrerede. I opløsningen kan der også være sukker eller medicin. KOLERA ER EN DØDELIG SYGDOM Kolera er en smitsom mavetarmsygdom, der skyldes den såkaldte kolerabakterie. Den kommer ind i kroppen med forurenet drikkevand eller på grund af dårlig hygiejne ved madlavning. Kolerabakterien laver giftstoffer, der påvirker tarmvæggen. I løbet af en til fem dage bliver man alvorligt syg med voldsom diarré og opkastning. På grund af diarréen og opkastningerne kan væsketabet være op til en liter i timen, og det er alt for meget. Patienten bliver dehydreret, dvs. får et livstruende underskud af væske i kroppen. Den tabte væske indeholder salte, som er nødvendige, for at kroppens organer kan fungere. Tabet af væske og salte gør, at de syge hurtigt går i chok og dør, hvis ikke de får øjeblikkelig behandling. KOLERAEPIDEMIER Når rigtig mange mennesker rammes af en sygdom, kaldes det en epidemi. Koleraepidemier opstår ofte i tætbefolkede og fattige områder, hvor de sanitære forhold og hygiejnen ved madlavning er dårlig. Det er fx i slumkvarterer og i flygtningelejre. I løbet af de sidste to hundrede år har der været syv meget store epidemier af kolera. De første seks startede ved floden Ganges, hvor den løber fra Indien ind i Bangladesh kort inden udløbet i Den Bengalske Havbugt. Den syvende epidemi startede i Indonesien i 1961 og har siden 109 bredt sig til det meste af Asien og videre til Afrika og dele af Europa. I 1991 nåede den også til Sydame - rika, hvorfra den har bredt sig videre til hele Mellemamerika. Her har der været mere end en million syge. Hvert år melder mere end 60 lande om udbrud af kolera. Når det sker i lande, der ikke er forberedt på et koleraudbrud, dør op til 50 % af de smittede. I lande, hvor man kan handle hurtigt, dør mindre end 1 %. I Zimbabwe har et udbrud af kolera i 2008 i løbet af et halvt år medført mere end tilfælde og over dødsfald. BEHANDLING AF KOLERA Der findes ingen effektiv koleravaccine. Det er dog nemt at be - handle kolera, men det skal ske hurtigt, inden patienten har mistet for meget væske. I løbet af få timer efter de første symptomer har vist sig, skal de smittede have tilført væske, rehydreringsvæske. Den skal indeholde sukker og salte til at erstatte det, som patienten har mistet ved diarré og opkastning. Rehydre rings væsken skal genoprette kroppens naturlige væskeindhold og indholdet af salte i kroppen. Hvis det er muligt, giver man også antibiotika, der kan slå kolerabakterien ihjel. De smittede skal drikke i litervis af en isotonisk saltvandsopløsning. Nogle gange kan det ikke lade sig gøre, fordi de syge kaster så voldsomt op, at de ikke kan holde vandet i sig. Så må man tilføre den isotoniske opløsning gennem et intravenøst drop. Det er også nødvendigt, hvis den syge allerede har mi - stet mere end 10 % af legemsvægten.

110 DET VED DU NU OM KEMISKE METODER DEN NATURVIDENSKABELIGE METODE KEMI OG ELEKTRICITET Den naturvidenskabelige metode benytter eksperimenter til at be- eller afkræfte en antagelse. En antagelse kaldes også for en hypotese. Variable har en værdi, ofte en talværdi. En uafhængig variabel får sin værdi fastlagt ved starten af et eksperiment. En afhængig variabel viser først sin værdi under eller efter et eksperiment. Salte er sammensat af positive og negative ioner. Ionerne i et salt sidder i et iongitter. Forholdet mellem ionerne i et salt kan ses af formlen, fx CaCl 2. I et salt er den negative ion ofte en syrerest, fx SO 4 2. SALTE Når et salt opløses i vand, kommer der ioner i vandet. Ved en elektrolyse sendes der strøm gennem en opløsning. En elektrolyt er en opløsning, der indeholder ioner. En elektrode er en metal- eller grafitstang, der sættes ned i en væske. Ved galvanisering lægges en metaloverflade på en genstand. ANALYSE OG RENSNING Chorid-ioner, Cl, påvises ved tilsætning af sølvnitrat, AgNO 3. Sulfat-ioner, SO 4 2, påvises ved tilsætning af bariumchlorid, BaCl Carbonat-ioner, CO 3 2, påvises ved tilsætning af syre. Ammonium-ioner, NH 4 +, påvises ved tilsætning af base. Før og efter en reaktion skal antallet af atomer af hvert grundstof være det samme. Destilleret vand er helt rent vand uden opløste stoffer.

111 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Hvad er en antagelse (hypotese)? Hvorfor er der i en krystal af natriumchlorid lige så mange natrium-ioner som chloridioner? Hvad er syreresten af svovlsyre, H 2 SO 4? Hvorfor kan man påvise chloridioner, Cl, i vand ved at tilsætte sølvnitrat? UDFORDRING Hvorfor bør man ved et eksperiment kun ændre én variabel ad gangen? Hvorfor er det dyrt at fremstille drikkevand ved destillation af havvand? Der findes afhængige variable. Hvad hedder den anden gruppe af variable? Hvilke to ioner er køkkensalt opbygget af? Når man opskriver en kemisk reaktion, skal antallet af atomer af hvert grundstof efter reaktionen være det samme som før reaktionen. Hvorfor det? Hvad hedder processen, hvor der ved elektrolyse lægges guld på en overflade? Hvilken type stoffer skal findes i vand, for at man kan sende strøm gennem vandet? Hvad hedder helt rent vand? 111

112 KAPITEL 6 Kemisk

113 produktion NANOTEKNOLOGI MATERIALER I ET HUS GØDNING OLIE OG PLAST CAFE KOSMOS: KEMIKERNE GØR DIG TIL SPIDERMAN Alle stoffer er opbygget af atomer. Flytter man atomerne i et stykke kul, kan kullet blive til en diamant. Hvis man flytter atomerne i et sandkorn, kan det blive til en computerchip. Hvis man kunne flytte atomerne i noget jord, vand og luft, kunne man lave en kartoffel. Stoffernes egenskaber afhænger af, hvordan atomerne hænger sammen. På fabrikker fremstilles kemiske produkter i store mængder. Produkterne laves ofte ved at flytte rundt på grupper af atomer i stofferne. Ved hjælp af nanoteknologi kan man flytte på de enkelte atomer. Hvilke grundstoffer er nødvendige, for at en plante kan vokse? Hvad er kunstgødning, og hvad er naturgødning? Hvordan hænger murstenene sammen i et hus? Hvad er forskellen på cement og beton? Findes benzin i naturen? Hvad er en gekko? 113

114 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Nanoteknologi Model af nanorør Nanorør består kun af carbon-atomer. Rørene er ofte omkring fem nanometer i diameter. Den 19-årige danske tennisspiller Caroline Wozniacki vinder en kamp i Madrid i 2009 og rykker op i kvindernes top-10. Mange tennisbolde har et lag nanopartikler på indersiden. Bolden bliver mere lufttæt og hopper bedre. Nogle tennisketsjere indeholder nanorør. Det gør ketsjeren mere stiv. Ved et tilfælde opdagede man i 1985 det såkaldte fodboldmolekyle. Det er et kugleformet molekyle, der kun består af carbon-atomer. Der er flere former for sådanne molekyler. Det mest kendte indeholder 60 carbon-atomer. Fundet af carbon- 60-molekylet startede forskningen i nanopartikler. Det er partikler, der er meget små. Ordet nano er græsk og betyder dværg. Nanoteknologi er videnskaben om nanopartikler, og om hvordan man anvender dem. Nanorørene blev opdaget i De består af carbon-atomer, som danner et net, der er rullet sammen som et rør. Materialer af nanorør er mere end 100 gange stærkere end rustfrit stål i samme tykkelse, men de vejer kun en sjettedel af stål. Nanorør bruges fx til racercykler og racerbiler. Den første tennisketsjer forstærket med nanorør blev fremstillet i Længdeenheden nanometer Et guld-atom har en diameter på ca. tre milliontedele af en millimeter. Det er så lidt, at hvis man kunne lægge tre millioner guld-atomer i én lang række, så ville rækken kun blive en millimeter lang. Guld-atomets diameter skrives som 0, mm, der er det samme som 0, m (0, m). Længden en milliardtedel af en meter er 0, m. Dette tal skrives kortere som en nanometer, der kan skrives som 1 nm. Dvs. 1 nm er en milliardtedel meter. På en nanometer kan der ligge ca. tre guld-atomer på række. Et molekyle bestående af 10 atomer fylder ca. en nanometer. På en harddisk fylder de enkelte bits 10 gange 10 nanometer. Man kan sammenligne overfladen af en harddisk med arealet af en skole med skolegård og sportsplads. Når computeren finder en bestemt bit på harddisken, så svarer det til, at man på skolen skulle finde et bestemt område på 1 gange 1 millimeter. Nanopartiklernes størrelse Størrelsen af nanopartikler måles i nanometer. Man har vedtaget, at nanoteknologi er arbejdet med partikler fra 1 nm op til 100 nm. Under 1 nanometer er partiklerne så små, at de består af ganske få atomer og molekyler. Når partiklerne er større end 114

115 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION 100 nanometer, kaldes de mikropartikler. Selv de største nanopartikler er for små, til at de kan ses i et almindeligt mikroskop. Det er ikke nemt at arbejde med så små partikler. Nanopartikler kan slet ikke ses med det blotte øje og heller ikke i et almindeligt mikroskop. Forskere har opfundet en slags mikroskoper, der med en spids kan føle hen over overfladen af et stof. Dette mikroskop registrerer en bakketop, hver gang spidsen bevæger sig hen over et atom, se side 42. Tykkelsen af et menneskehår Nanopartiklernes overflade Nanopartiklerne har egenskaber, der er helt anderledes end større partiklers. Det er fordi, der er forholdsvis flere atomer på nanopartiklernes overflade. For en partikel med en diameter på omkring en tusindedel af en millimeter sidder mindre end en procent af atomerne på overfladen. En partikel, der er hundrede gange mindre, har en diameter på 10 nm. På en sådan nanopartikel sidder halvdelen af atomerne på overfladen. Jo mindre en partikel er, jo flere af partiklens atomer er der på overfladen af partiklen. Da det er atomerne på overfladen, der kan reagere med andre stoffer, får nanopartiklerne helt andre kemiske og fysiske egenskaber end større partikler. For nanopartikler udviskes grænserne mellem stoffernes fysik, kemi og biologi. Det har givet masser af muligheder for at bruge nanoteknologi inden for mange områder: medicin, biologi, kemi, fysik og elektronik. Her skal blot nævnes nogle få. 1 nanometer er en milliardtedel meter. Til sammenligning har et menneskehår en tykkelse på omkring nanometer. Nanoteknologi Nanoteknologi beskæftiger sig med partikler fra 1 nanometer op til 100 nanometer. Katalysatorer af nanopartikler Almindelig hvid maling får sin farve fra små partikler af mineralet titandioxid, TiO2. Hvis disse partikler kommer ned i nanostørrelse, får de helt nye egenskaber. Ved at lægge nanopartikler af titandioxid på overfladen af mange stoffer kan nanopartiklerne virke som katalysatorer. Nanopartiklerne kan som katalysatorer gøre overflader selvrensende. Vinduer på højhuse, trafiklys og videokameraer til overvågning indeholder glas, der skal holdes rent, men glasset er tit svært at komme til at rense. Med et lag nanopartikler på glasset bliver overfladen selvrensende. Når Solen skinner, spalter nanopartiklerne vandmole- 115 Nanopartikler På store partikler sidder kun få af atomerne på overfladen. På nanopartikler sidder forholdsvis mange af atomerne på overfladen.

116 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Nanopartikler gøres synlige I et bægerglas fortyndes 10 ml fortyndet saltsyre med 90 ml demineraliseret vand. I et andet bægerglas opløses 2 g natriumthiosulfat-pentahydrat, Na 2 S 2 O 3 5 H 2 O (fiksersalt), i 100 ml demineraliseret vand. En laser sættes op, så den lyser vandret gennem de to bægerglas. Kan man se laserstrålen i de to opløsninger? EKSPERIMENT Nu hældes væsken i det ene bægerglas over i det andet. Kan man nu se laserstrålen i den sammenblandede væske? Hold øje med glasset et stykke tid. Ved reaktionen mellem saltsyre og natriumthiosulfat dannes der frit svovl, S. Disse partikler starter som få atomer, men vokser sig større og større. Når de er i nanostørrelse, påvirker de lyset fra laseren, så lyset ikke kun går lige ud, men spredes til alle sider. Herved kan laserstrålens gang gennem væsken ses. Denne effekt kaldes Tyndall-effekten. Til sidst er svovlpartiklerne blevet så store, at de helt blokerer for laserlyset. Væsken bliver derfor uigennemsigtig. Katalysator En katalysator er et stof, der får en reaktion til at gå hurtigere. Uden katalysatoren vil reaktionen gå langsomt. Katalysatoren forbruges ikke. Mængden af katalysatoren er den samme før og efter reaktionen. Nyttige oplysninger En nanometer er en milliardtedel meter. Størrelsen af nanopartikler ligger fra 1 nm til 100 nm. Selvrensende overflader indeholder nanopartikler af titandioxid, TiO 2. kyler, så de sammen med oxygen fra luften danner et stof, der hedder hydrogenperoxid, H 2 O 2. Det slår mikroorganismer ihjel og spalter mange stoffer. På denne måde vil smudset blive nedbrudt. Næste gang det regner, skylles smudset af. Den samme selvrensende overflade kan man lægge på man - ge andre stoffer, fx på mange husholdningsgenstande. Herved kan overfladen lettere holdes ren, og bakterier får sværere ved at sidde på overfladen. Af samme grund bruger man også nanooverflader på kirurgisk udstyr. Du bruger nanoprodukter Til hverdagsbrug er der allerede udviklet mange produkter, som indeholder nanopartikler. De kan fx findes i hårgel, tandpasta, deodoranter og solbeskyttelsescremer. Er din deodorantstift eller solbeskyttelsescreme klar, ikke hvid, så indeholder den måske nanopartikler. Kopiark 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 og

117 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Materialer i et hus Almindelige huse bygges af bl.a. beton, mursten, mørtel, gips, glas, træ og tegl. Mere moderne huse bruger også plast, stål og aluminium. I det følgende beskrives nogle af disse produkter. Kalk og mørtel Danmark har ikke mange råstoffer. Fx er der ingen metaller, som det kan betale sig at udvinde. Der er dog et råstof i undergrunden, som der er rigeligt af, nemlig kalksten. Det bruges til fremstilling af mørtel, som er det stof, der binder murstenene sammen i et hus. Kalksten består af calciumcarbonat, CaCO 3. Når kalkstenene er gravet op, lægges de ind i den ene ende af en rørovn. Det er et meget langt rør med en diameter på flere meter. Inde i røret er temperaturen meget høj. Kalkste - nene afgiver carbondioxid, CO 2, og omdannes til calciumoxid, CaO. Røret hælder lidt, og det drejer rundt, så stenene langsomt triller fra den høje ende af røret til den lave. Ud af den lave ende kommer et pulver af calcium-oxid. Det pakkes i sække og sælges som brændt kalk. Det bruges af murere, når de skal bygge en væg af mursten. På byggepladserne blander man lidt vand i den brændte kalk, så man får en tyk grød. Vandet reagerer med calciumoxidet, der omdannes til basen calciumhydroxid, Ca(OH) 2. I byggebranchen kaldes det for læsket kalk. Nu blander man sand i den læskede kalk. Blandings pro - duktet kaldes mørtel. Der lægges mørtel oven på en mursten. En ny lægges ovenpå og trykkes lidt ned i mørtlen. Som tiden går, vil mørtlen optage carbondioxid fra luften, samtidig med at vandet i mørtlen fordamper. Herved omdannes den læskede kalk til kalksten, calciumcarbonat. Murstenene bindes sammen, fordi mørtlen under processen bliver fast, ved at der dannes lange krystaller af calciumcarbonat på kryds og tværs. Den samlede proces kan beskrives som et teknisk kredsløb. Man starter med kalksten, og ender med en anden form for kalksten. Fra naturen kendes mange kredsløb. Vand omdannes til is eller vanddamp, der igen kan omdannes til vand. Carbon-atomer flyttes rundt i carbonkredsløbet og nitrogen-atomer flyttes i nitrogenkredsløbet. Kopiark 6.6 og 6.7 Rørovn Røret er 75 m langt og 3,4 m i diameter. Rørovnen brænder kalk på den danske fabrik Faxe Kalk. 117

118 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Kalkstens kredsløb CaCO 3 CaO + CO 2 Kalksten Brændt kalk CaCO 3 Kalksten Brændt kalk CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Brændt kalk Læsket kalk Sand Rørovn Vand Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O Læsket kalk Kalksten Gipsplader Overfladen af indvendige vægge og lofter er ofte gipsplader. Pladerne kan optage luftfugtighed og afgive den igen. De giver derfor et godt indeklima, og de kan ikke brænde. Gipsen til gipspladerne fås som et affaldsprodukt ved fremstilling af elektricitet på kulfyrede kraftværker. Metoden er beskrevet i kapitel 8, side 169. Formlen for gips er CaSO 4 2 H 2 O. Formlen viser, at der i gipsen er bundet to vandmolekyler for hver enhed calciumsulfat. Vandet i gipsen kaldes krystalvand. Kopiark 6.8 og 6.9 Opsætning af gipsplader En pladeløfter løfter gipspladen op, vender den og trykker den op mod loftet, hvor den fastgøres. Pladerne er normalt kun 13 mm tykke. Derfor er de meget lette og hurtige at sætte op. Cement og beton Cement fremstilles ligesom brændt kalk i en rørovn. Cement er en blanding af kalk, sand og ler. Når stofferne har været gennem rørovnen, er de blevet til et fint pulver, cement. Cement er et langt kraftigere bindemiddel end mørtel. Hvis man blander cement med sten, sand og vand, får man beton. Det bliver lige så hårdt som en sten. Hvis man lægger metalstænger ned i betonen, får man armeret beton. Det er langt stær- 118

119 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION EKSPERIMENT Kalkbrænding Et lille stykke kalk vejes. Kalkstykket lægges på en porcelænstrekant på en trefod og opvarmes kraftigt med en bunsenbrænder med lufthullet åbent. Efter ca. 5 minutters glødning, lukkes brænderen. Når stykket er afkølet, vejes det igen. Hvad er der sket med massen? En dråbe vand dryppes ned på stykket, og noget indikatorpapir trykkes ned i det våde stof. Hvad fortæller ph-værdien? Ved opvarmningen sker følgende reaktion: CaCO 3 CaO + CO 2. kere end almindelig beton. Når cement eller beton skal størkne, behøver det ikke som mørtel at reagere med luftens carbondioxid. Når cement blandes med vand, begynder der at vokse lange krystaller på kryds og tværs i blandingen. I stedet for at bruge ler i cementen kan man bruge flyveaske. Det er et affaldsprodukt fra de kulfyrede kraftværker. Når kullene brændes, flyver der aske op i skorstenen. Asken fanges og opsamles, inden den kommer ud i fri luft. Læs side Mursten, keramiske fliser og tagsten Mursten, keramiske fliser og tagsten laves af ler. Ler består af meget finkornede partikler. De er dannet ved forvitring af bl.a. bjergarten granit. I de kemiske forbindelser i ler er der både aluminium, silicium og oxygen. I mange former for ler er der også jern. Det giver leret en brunlig eller blålig farve. Leret blandes med sand og formes til fx mursten eller tegl til tage. De brændes i en ovn ved ca. 900 C. Herved fordamper vandet, og der opstår nye, stærke bindinger mellem partiklerne. Man siger, at partiklerne sintres sammen. Hvis leret er jernholdigt, får man de almindelige røde mursten. Mureren lægger rygningssten, der dækker åbningen mellem teglstenene på to tagflader. 119

120 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Når man brænder ler ved 900 C, opstår der porer gennem materialet. Hvis man i stedet brænder ved ca C, dannes der kun små porer, og materialet bliver stærkere. Fliser til vægge i badeværelser og fliser til at lægge på gulve brændes ved den høje temperatur. Tallerkener, kopper og andet porcelæn laves af en meget ren, hvid form for ler, kaolin. Det brændes først ved en temperatur på ca. 900 C. Derefter lægges der et lag glasur på det brændte ler. Glasur kan være ler med forskellige fint malede mineraler i. Herefter brændes ved 1400 C. Glasuren smelter og danner et helt vandtæt lag. Man kan blande forskellige metal-oxider i glasuren. Cobalt-oxid giver en blå farve, jernoxid en gulbrun farve. Højhuset Burj Dubai er verdens højeste hus. Det er 818 meter højt, og står i Dubai i De Forenede Arabiske Emirater. I Danmark er den højeste struktur pylonerne på Storebæltsbroen. Herlev Hospital er det højeste hus. Det er 120 meter højt. Nyttige oplysninger Kalksten består af calciumcarbonat, CaCO 3. Brændt kalk er calcium-oxid, CaO. Det fås af kalksten, der ved kraftig opvarmning (brænding) afgiver carbondioxid, CO 2. Læsket kalk er en opløsning af brændt kalk i vand. Mørtel er en blanding af læsket kalk og sand. Cement laves af en blanding af kalk, sand og ler, der brændes til et fint pulver. Beton er en blanding af cement, sten, sand og vand. Gips er calciumsulfat med to molekyler krystalvand, CaSO 4 2 H 2 O. Glas Glas fremstilles af tre stoffer: kvarts, soda og kalk. Kvarts er rent sand med formlen SiO 2. Soda er stoffet natriumcarbonat, Na 2 CO 3. Kalk er calciumcarbonat, CaCO 3. Glas er altså ikke et rent stof, men en blanding af tre stoffer. De tre stoffer findes i rigelig mængde, så udgifterne ved produktion af glas er ikke prisen på råmaterialerne, men udgiften til opvarmningen. Ved fremstilling af glas opvarmes en blanding af de tre stoffer til ca C. Der forsvinder carbondioxid, CO 2. Natrium og calcium reagerer med kvartsen og danner nogle stoffer, der kaldes silikater. Det er glas. En af reaktionerne er SiO 2 + Na 2 CO 3 Na 2 SiO 3 + CO 2 Ved afkøling til ca C bliver massen tyktflydende og kan let formes. Når temperaturen falder til ca. 600 C, bliver glasset hårdt. Ved fremstilling af flasker opvarmer man glasmassen til ca C. Man skærer dråber på ca. 200 g af glasmassen. Dråben glider ned i en flaskeformet metalform, hvor trykluft presser dråben ud i formen til en flaske. Glas til vinduer hældes ud på et kar med smeltet tin (smeltepunkt 232 C). Glasset er lettere end tinnet og flyder derfor oven - på. Glasset skubbes langsomt hen over tinoverfladen, hvor glasset langsomt afkøles. Glasset får herved overalt samme tykkelse og en spejlblank overflade. 120

121 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Gødning Alle levende organismer skal have føde. Det gælder mennesker, dyr og planter. For at planter kan vokse, skal de have lys, varme, vand og carbondioxid, CO2. Ved hjælp af fotosyntesen omdannes vand og carbondioxid til de stoffer, som planten er opbygget af. Planter kan dog ikke vokse uden nogle bestemte grundstoffer. Carbondioxid, CO2 Grundstoffer i planterne De vigtigste grundstoffer for planternes vækst er nitrogen, phosphor og kalium. Dem skal planterne have meget af. Planterne skal også bruge lidt af grundstofferne svovl og magnesium. Planterne skal bruge flere grundstoffer, men kun i ganske små mængder. Disse grundstoffer kaldes sporelementer. Det er fx jern, calcium, kobber, zink og bor. Grundstofferne kommer ind i planten, når rødderne optager vand fra jorden. Med vandet optages de nødvendige stoffer i form af ioner. Ionerne er opløst i vandet, og fx kalium optages som kalium-ioner, K +. Grundstoffernes betydning for planterne Grundstof Specielt vigtigt for Nitrogen, N Vækst af stænglen og bladene Phosphor, P Vækst af cellekernerne Kalium, K Styring af vandindholdet Hver gang man høster, dvs. fjerner planter fra jorden, fjernes også de mineralstoffer, som planten gennem rødderne har trukket op af jorden. Disse mineraler bliver man nødt til at give tilbage til jorden i form af gødning. Ellers vil planterne ikke trives. Som bønderne siger: Du skal give tilbage, hvad du har taget. Mængde af grundstof der fjernes fra marken ved høst af 1 ton afgrøde Høst af Korn Kartofler kg nitrogen kg phosphor kg kalium 23,0 4,1 11,5 3,0 0,4 4,8 121 Vand, H2O NPK-salte Planter består især af seks grundstoffer, C, H, O, N, P og K. Vand optages fra jorden, og CO2 optages fra luften. Ved hjælp af fotosyntesen omdannes vand og CO2 til forskellige sukkerarter og stivelse, der er opbygget af grundstofferne C, H og O. Planterne skal også bruge grundstofferne N, P og K.

122 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Ammoniak fra NPK-gødning Noget NPK-gødning eller et ammoniumsalt lægges ned i et urglas. En strimmel indikatorpapir fugtes med vand og trykkes fast på indersiden af et andet urglas. Et par dråber fortyndet natriumhydroxid, NaOH, dryppes i gødningen, og det andet urglas lægges straks oven på det første. EKSPERIMENT Hvad ser man, og hvordan kan det forklares? Natriumhydroxid er en base, der reagerer med ammonium-ionerne i gødningen, så der dannes frit ammoniak. Det er en base, der reagerer med vandet, så indikatorpapiret viser en base. Reaktionen kan skrives: NH NaOH NH 3 + Na + + H 2 O NPK-gødning På NPK-gødning angiver de tre tal indholdet af N, P og K. Der er altså 12 % nitrogen, 5 % phosphor og 14 % kalium. De resterende 69 % er de andre stoffer i de salte, som N, P og K findes i. Det er afgørende for en plantes vækst, at der ikke mangler noget af de nødvendige stoffer. Er der underskud af bare et af stofferne, er det helt ligegyldigt, hvor rigeligt de andre er til stede. Planten vil ikke trives. Derfor må man undersøge jorden for dens indhold af grundstoffer, før man tilsætter gødning. Så kan man købe en gødning, der har højt indhold af det eller de stoffer, der mangler. Man kan køre gylle ud på markerne. Gylle er urin og afføring fra svin og køer. Det fungerer som en naturlig gødning, der også kaldes organisk gødning. Men der er sjældent organisk gødning nok. Derfor må man købe kunstgødning. NPK-gødning Da der ved høsten af afgrøderne fjernes mest nitrogen, phosphor og kalium, er den mest benyttede kunstgødning en NPK-gødning. Den består af de tre grundstoffer i form af forskellige salte. Saltene er letopløselige i vand. Nitrogen kan findes i salte, der indeholder ammoniumionen, NH + 4, eller nitrat-ionen, NO 3. Nitrat-ionerne optages direkte i planterne. Ammonium-ionerne skal først omdannes 122

123 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION til nitrat-ioner af nogle bakterier, inden de kan optages af plan - ternes rødder. Phosphor findes i salte, der indeholder phosphat-ioner, ofte hydrogenphosphat-ionen, HPO 4 2. Phosporsalte med denne ion er mere letopløselige end salte med den almindelige phosphat-ion, PO 4 3. Kalium findes ofte som saltet kaliumchlorid, KCl, der indeholder chlorid-ionen, Cl. Kalium findes også som kaliumsulfat, K 2 SO 4, der indeholder sulfat-ionen, SO 4 2. Kopiark 6.10, 6.11, 6.12 og 6.13 Nitrogenkredsløbet Nitrogenkredsløbet Nitrogen er et vigtigt stof. Det findes i alle levende organismer. Men selv om nitrogen udgør næsten 80 % af den atmosfæriske luft, så kan de fleste levende organismer ikke optage nitrogen. Kun nogle jordbakterier, der lever på rødderne af planter, som fx ærter, bønner og kløver, kan optage nitrogen fra luften. Bakterierne omdanner luftens nitrogen til nitrater og ammoniak. Disse stoffer kan optages af planterne. Når dyr og mennesker spiser planterne, får de nitrogen til opbygning af kroppens molekyler. Luftens nitrogen kan dog også omdannes til kemiske forbindelser i tordenvejr. Hvert sekund er der på Jorden omkring 100 lyn. Omkring et lyn opvarmes luften så meget, at nitrogenmolekyler og oxygenmolekyler spaltes. De kan nu danne nitrogen-oxider, NO X -er. Det er fx nitrogen-oxid, NO, og nitrogendioxid, NO 2. Nitrogen-oxiderne reagerer med luftens vanddamp og danner fx nitrat-ioner, NO 3. De fanges af regndråber og føres ned i jorden, når det regner. Når planter og dyr dør, er det bakterier, der spalter de kemiske stoffer, som planter og dyr er opbygget af. Herved frigøres nitrogen fra de kemiske forbindelser, og nitrogen vender tilbage til luften. Denne transport af nitrogen fra luften ned til jorden og tilbage igen er et biokemisk kredsløb, der kaldes nitrogenkredsløbet. Nitrogenkredsløbet viser, hvordan nitrogen-atomer fra luften flyttes gennem forskellige kemiske forbindelser for efter et stykke tid igen at vende tilbage til luften. I daglig tale bruges ofte navnet kvælstofkredsløbet, hvor kvælstof er et ældre navn for nitrogen. Nyttige oplysninger De vigtigste grundstoffer for planterne er nitrogen, phosphor og kalium. Den mest benyttede kunstgødning er NPK-gødning. + Nitrogen findes i ammonium-ionen, NH 4 og i nitrat-ionen, NO 3. 3 Phosphor findes i phosphat-ionen, PO 4 og hydrogenphosphat-ionen, HPO 2 4. Kalium findes i kaliumchlorid, KCl, og kaliumsulfat, K 2 SO 4. Sporelementer er grundstoffer, som planterne kun behøver lidt af, fx jern, calcium, kobber, zink og bor. 123

124 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION xxxxxxxxxxxx Uorganiske carbonforbindelser Nogle enkelte stoffer, der indeholder carbon, regnes ikke for organiske stoffer. Det er fx carbondioxid, CO 2, og calciumcarbonat, CaCO 3. Olie og plast Kemikere har fundet og fremstillet mere end 20 millioner kemiske forbindelser, og 97 % af dem indeholder carbon. Carbonforbindelserne kaldes organiske stoffer, fordi mange af dem kendes fra planter og dyr. Carbonforbindelsernes kemi kaldes organisk kemi. Olie og plast indeholder grundstoffet carbon, så olie og plast er organiske stoffer. Når der findes så mange organiske stoffer, skyldes det carbon-atomets særlige egenskaber. Carbon-atomer kan binde sig til hinanden på mange forskellige måder. Der kan fx dannes molekyler, der er lange kæder af carbon-atomer. Ud over de mange carbon-atomer findes der i molekylerne altid atomer af hydrogen og ofte oxygen, nitrogen, svovl eller phosphor. 124

125 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Råolie Mange organiske stoffer fås fra olie, der hentes langt nede i jorden. Olien er oprindelig opstået ved omdannelse af dyr og planter, der har levet i havet. Når olien er kommet op af jorden, kaldes den råolie. Den kan ikke bruges direkte. Råolien transporteres til store fabrikker, olieraffinaderier, hvor den behandles. Model af fraktioneret destillation af råolie. Fraktioneret destillation På raffinaderiet varmes råolien op til ca. 400 C og sendes derefter ind i bunden af et meget højt tårn. Temperaturen i bunden af tårnet er ca. 350 C. Op gennem tårnet falder temperaturen. I toppen er temperaturen ca. 25 C. I bunden af tårnet fordamper størstedelen af olien, og dampene stiger op gennem tårnet. De største molekyler fortættes i de nederste dele af tårnet, mens de letteste molekyler først fortættes øverst i tårnet, hvor temperaturen er lavest. Kun de luftarter, der er bundet i råolien, når op til den øverste del af tårnet. Op gennem tårnet er der fx seks gulve, der er fyldt med huller. Omkring hvert hul er der et rør, som er dækket med en klokke. Når dampene stiger op gennem hullerne i et gulv, tvinger klokken dampene ned i den fortættede væske, der flyder på gulvet. De dampe, der har et kogepunkt, der er mindre end temperaturen af væsken på gulvet, vil fortættes. Efterhånden som væskehøjden på gulvet stiger, flyder væsken ud gennem et rør i siden af tårnet. Råolien opdeles på denne måde i fraktioner, dvs. dele. En sådan destillation kaldes en fraktioneret destillation. Olien kan skilles ad, fordi fraktionerne har forskellige kogepunkter. Fraktionerne indeholder molekyler af ca. samme størrelse, således at der i én fraktion kun er store molekyler, i den næ ste lidt mindre osv. Opdelingen efter molekylestørrelse sker, fordi kogepunkterne afhænger af molekylernes størrelse. Store mole - kyler har høje koge punkter. Små molekyler har lave kogepunkter. Hver fraktion indeholder molekyler med et bestemt antal carbon-atomer. Kopiark 6.14 Asfalt, 350 C Gas, under 40 C Benzin, C Petroleum, C Dieselolie, C Brændselsolie, C Smøreolie, C Råolie, 350 C 125

126 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Fraktion Kogepunkt/ C Antal carbon-atomer i molekylerne Anvendelse Gas op til Flaskegas Benzin Brændstof til biler Petroleum Brændstof til fly Råmateriale til kemikalier og plast Dieselolie Brændstof til lastbiler Brændselsolie Brændstof til skibe og fabrikker Smøreolie Smøring af motorer o.l. Tjære og asfalt over 350 mere end 40 Tage og veje Carbonhydrider 300 liter benzin Olie består af mange forskellige molekyler. De fleste er opbygget af kun to grundstoffer, carbon og hydrogen. Disse stoffer har det kemiske navn carbonhydrider, men kaldes også kulbrinter. Den mest simple er methan, CH4. Skemaet viser de første tre carbonhydrider. 100 liter petroleum 400 liter dieselolie Navn Formel Molekylemodel Kogepunkt/ C Methan CH4 162 Ethan CH3CH3 89 Propan CH3CH2CH liter brændselsolie Fraktioner af råolie Tegningen viser, hvor meget der ca. er af de forskellige fraktioner i 1000 liter råolie. Der fås også ca. to liter gas, 20 liter smøreolie samt 10 liter tjære og asfalt. 126

127 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Man kan kort skrive formlen for ethan som C2H6, men ved at skrive den som CH3CH3 viser man, hvordan atomerne er bundet sammen. Ethanmolekylet består af to carbon-atomer, der er bundet sammen. På hvert carbon-atom sidder der tre hydrogen-atomer. Formlen kan skrives endnu mere tydeligt som CH3-CH3. Hvert carbonhydrid har sit navn. Fx hedder carbonhydridet med 12 carbon-atomer dodecan. Formlen for det er CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 Molekylet består af en carbonkæde med 12 carbon-atomer. Den kemiske formel kan kort skrives som C12H26. Cracking Ved den fraktionerede destillation fås nogle lette fraktioner, dvs. molekyler med korte carbonkæder. Det er gas, benzin, petroleum og dieselolie. Disse stoffer er der stort behov for, men der er desværre ikke så meget af dem i råolien. Derfor har kemikere fundet ud af at omdanne nogle af de tungere fraktioner til lettere. Man kan populært sige, at man klipper lange carbonkæder over, så man får to mindre. Denne proces hedder cracking. Cracking sker også på raffinaderiet. Efter at råolien i destillationstårnet er blevet opdelt i fraktioner, sendes en fraktion med store molekyler hen over en katalysator. Her knækkes molekylernes carbonkæde over. Ved en ny fraktioneret destillation opdeles den crackede olie i flere fraktioner, bl.a. benzin. Hvis man cracker et molekyle af dodecan kan man fx til sidst få to molekyler hexan. Dette molekyle har netop seks carbon-atomer. Plast I naturen findes der mange stoffer, som består af meget store molekyler. Det er fx æggehvide, stivelse, gummi og cellulose. Sådanne store molekyler kaldes makromolekyler. Det er også muligt at lave makromolekyler kunstigt. Sådanne kunstigt fremstillede stoffer med makromolekyler kaldes kunststoffer eller plast (plastic). Et plastmolekyle kan indeholde op til carbon-atomer. 127 Fyrfadslys indeholder paraffin. Det er en blanding af faste carbonhydrider med fra ca. 14 til 30 carbon-atomer i molekylerne.

128 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION Dannelse af polyethen Model af hvordan mange monomere af ethen omdannes til en polymer. Nyttige oplysninger Organiske stoffer indeholder carbon. Ved fraktioneret destillation skilles råolien i fraktioner. Ved cracking spaltes lange carbonkæder i kortere. Carbonhydrider indeholder kun carbon og hydrogen. Plast er opbygget af makromolekyler. Makromolekyler består af mange tusind atomer. Polymer er et fællesnavn for alle plasttyper. En monomer er et fællesnavn for de små molekyler, som en polymer opbygges af. En polymer dannes ved, at molekyler af en monomer binder sig til hinanden i en lang kæde. Plast har givet designerne et nyt materiale, der har mange fordele. Plast er let, isolerer mod elektrisk strøm, er nem at forme og billig at producere. Den ruster eller rådner ikke. Derfor nedbrydes den heller ikke så let i naturen, hvor den der - for forurener. For 100 år siden blev ingen produkter lavet af plast. I dag er der masser af plast. I en bil er der omkring 150 kg plast, mens det meste på en sejlbåd er lavet af plast. Tidligere i hi - storien har vi haft perioder, der blev kaldt stenalder, bronzealder og jernalder. Om mange år vil man måske betegne vores tid som plastalderen. Fremstilling af plast ved polymerisering Næsten al plast fremstilles af fraktioner af råolie, men størstedelen af olieprodukterne bliver brugt som brændstof. Kun ca. 7,5 % bruges til fremstilling af plast. Et af olieprodukterne er ethan. Molekylet indeholder to carbon-atomer og har formlen CH 3 CH 3. Fra raffinaderiet fås også et andet molekyle med kun to carbon-atomer, ethen. Dette molekyle har formlen CH 2 CH 2. Hvor ethan har en enkeltbinding mellem de to carbon-atomer, så har ethen en dobbeltbinding. Formlen kan derfor også skrives som CH 2 =CH 2. Dette molekyle kaldes en monomer. 128

129 KAPITEL 6 KEMISK PRODUKTION EKSPERIMENT En flaskeskulptur af termoplast En elkedel fyldes med vand, der opvarmes til kogning. Vandet hældes ned i en stor plastflaske til mineralvand eller sodavand. Ved hjælp af et par arbejdshandsker trykkes, vrides eller trækkes flasken til en ønsket form. Når det er sket, hældes det varme vand ud af flasken, der herefter overhældes med koldt vand. Når flasken er afkølet, kan man fylde den med farvet vand. Der findes to typer af plast, hærdeplast og termoplast. Termoplast bliver blød, når den opvarmes. Efter afkøling beholder den sin nye form. Termoplast kan derfor nemt genbruges. // KGB6.28 tegning Ikke to personer, men en lærer i midten. Hænderne er ok. I højre hånd holdes en elkedel, som der kommer kogende vand ud af. I højre hånd holdes flasken med en digeltang om halsen. Flasken skal stå midt i et vandfad. Der må ikke være etiket på flasken// Ethenmolekylets dobbeltbinding kan gå op, så molekylet kan binde sig til et andet ethenmolekyle. Herved går det andet molekyles dobbeltbinding op, så det kan binde sig til et tredje molekyle. På denne måde kan der dannes en carbonkæde med tusindvis af carbon-atomer. Denne reaktionsproces kaldes en polymerisering, og derfor kaldes plast også for en polymer, dvs. sammensat af mange monomerer. Verdens mest almindelige plasttype Når monomeren hedder ethen, kaldes plasten, dvs. polymeren, for polyethen. Nogle gange bruger man et lidt forældet navn polyethylen. Det er verdens mest benyttede plast. Den bruges fx til ølkasser, plastposer, plastspande, plastflasker, gas- og vandrør, legetøj, køkkenfolie og isolering på ledninger. Kopiark 6.15 og

130 CAFE KOSMOS kravle op ad glatte flader som fx glas. Edderkopper er dog langsomme i forhold til en gekko. GEKKOEN En gekko er en øgle, der kan være op til 30 cm lang. Den lever i varme lande. En gekko kan i en rasende fart løbe op og ned ad vægge. Den kan løbe under loftet med hovedet nedad. KEMIKERNE GØR DIG TIL SPIDERMAN Teenageren Peter Parker bliver i skolen bidt af en radioaktiv edderkop. Herved får han edderkoppeagtige egenskaber. Han får superkræfter, og han kan kravle op ad vægge. Da Peter Parker er dygtig til fysik og kemi, opfinder han et tyndt, men meget stærkt reb, som han kan svinge sig i. Historien om Spiderman startede i 1962 som et tegneseriehæfte. Alt var fantasi, men fyrre år efter er kemikere godt i gang med skabe det, som før kun var en god historie. SPIDERMANS REB Det reb, Spiderman slynger sig i, kan måske snart fremstilles af nanorør. Diameteren på et nanorør kan være helt ned til 0,4 nanometer, men er ofte omkring fem nanometer. Længden af rørene er op til en hundrededel af en millimeter. Man arbejder på at lave reb af nanorør. Hvis man sætter fire millioner nanorør ved siden af hinanden får man en tykkelse på kun 0,01 mm. Det er tyndere end en sy - tråd, men rebet vil være ufatteligt stærkt. SPIDERMANS FINGRE Man kan tænke sig, at Spiderman for enden af fingrene har små hår. Det har edderkopper, og ved hjælp af de små hår kan edderkopper En lille gekko fra Vietnam. Denne art blev først fundet i På hver af en gekkos tyve tæer er der mere end en million små hår, der hver er splittet op i 100 til 1000 mindre dele. I alt har en gekko omkring en milliard af sådanne små hårdele under fødderne. Disse hårdele synker ned i de mindste fordyb - ninger på den flade, som gekkoen løber hen over. En gekko har fem tæer på hver fod. 130

131 CAFE KOSMOS VAN DER WAALSKE KRÆFTER Når de små hår under gekkoens fødder kommer i tæt kontakt med underlaget, dannes der mellem hårene og underlaget nogle bindingskræfter, der hedder van der Waalske kræfter. De virker kun, når stofferne er i meget tæt kontakt med hinanden. Afstanden skal være mindre end en nanometer. De van der Waalske kræfter virker ved lim og tape. Det binder, når afstanden fra det klæbende stof til underlaget bliver meget lille. Gekkoens fødder er naturens egen form for en perfekt tape. Gekkoens tape kan bruges igen og igen. Der sker ingen kemiske reaktioner, og der sidder ikke noget klistret stof tilbage på væggen, hvor gekkoen har været. Samtidig er gekkoens tape stærkere end nogen kendt tape. Hvis alle gekkoens hårdele på samme tid er i berøring med loftet, kunne man hænge mere end 100 kg på gekkoen, uden at den falder ned. Kræfterne er så store, at hvis en gekko dør, mens den sidder på loftet, så bliver den døde gekko hængende. SYNTETISK GEKKOTAPE Ville du ønske, at du kunne klatre op ad vægge ligesom Spiderman? Måske er der ikke så længe til, at det bliver muligt. Forskere forsøger at lave materialer med fibre så tynde som gekkoens hår. Man har allerede fremstillet fibermaterialer ved at sætte nanorør sammen. Sådan en syntetisk gekkotape har flere nanohår pr. kvadratcentimeter end hårene på gekkoens fødder. Denne syntetiske gekkotape kan bære en vægt, der Hårene på en gekkotå. Forstørrelsen er ca. 440 gange. er fire gange større end gekkoens hår kan bære. Forskerne er meget begejstrede, for de van der Waalske kræfter virker på alle materialer. Man har fået den samme virkning ved gekkotape lavet med hår af silikonegummi og plast. De kunstige hår skal blot splittes op i mange tynde fibre. Syntetisk gekkotape vil være fremragende. Den klæber meget kraftigt, men er let at vride løs, og den klæber på alle flader. Den fungerer også under vand, og den virker i det tomme rum. Man vil kunne hænge billeder og hylder op på 131 væggen uden at skulle bore huller i væggen og uden at malingen ødelægges. Målet er at fremstille syntetisk gekkotape med en van der Waalsk kraft, der er 200 gange større end hos gekkoen. Så kan man fremstille vanter og støvler med gekkohår. Militæret i USA har et forskningsprojekt i gang. Det skal give en soldat med gekkovanter og gekkostøvler mulighed for at klatre op ad en lodret væg. Projektet kaldes Z-man. Den næste filmhelt kommer måske til at hedde Gekkoman?

132 DET VED DU NU OM KEMISK PRODUKTION NANOTEKNOLOGI MATERIALER I ET HUS GØDNING En nanometer er en milliardtedel af en meter, dvs. 0, m (10 9 m). Enheden nanometer skrives kort som nm. Nanoteknologi beskæftiger sig med partikler, der er mindre end 100 nanometer. Nanopartikler har en stor overflade i forhold til deres rumfang. Mange nanopartikler kan virke som katalysatorer. Selvrensende overflader indeholder ofte nanopartikler af titandioxid, TiO 2. Kalksten består af calciumcarbonat, CaCO 3. Når man brænder kalksten, afgiver de carbondioxid, CO 2, og bliver til calcium-oxid, CaO, der kaldes brændt kalk. Når man opløser brændt kalk i vand, optager calcium-oxidet vand og omdannes til basen calcium-hydroxid, Ca(OH) 2, der kaldes læsket kalk. Når læsket kalk blandes med sand, får man mørtel. Når mørtel optager CO 2 fra luften, omdannes mørtlen til kalksten. Når cement blandes med sten, sand og vand, får man beton. Gips er calciumsulfat med to molekyler krystalvand, CaSO 4 2 H 2 O. Den mest benyttede kunstgødning er NPK-gødning. Den indeholder de vigtigste grundstoffer for planterne, nitrogen, phosphor og kalium. Nitrogen findes i salte, der indeholder ammonium-ionen, NH 4 +, eller nitrat-ionen, NO 3. Phosphor findes i salte, der indeholder phosphat-ioner, ofte hydrogenphosphat-ionen, HPO 4 2. NPK-salte Vand, H 2 O Kalium findes ofte som saltet kaliumchlorid, KCl, der indeholder chlorid-ionen, Cl, eller som kaliumsulfat, K 2 SO 4, der indeholder sulfat-ionen, SO 4 2. Luftens nitrogen deltager i et kvælstofkredsløb, hvor nitrogen en tid findes i planter og dyr. Organiske stoffer indeholder grundstoffet carbon. På et raffinaderi opdeles råolie i fraktioner ved destillation. Benzin består af molekyler med fra fem til ti carbon-atomer. Carbonhydrider er stoffer, der kun indeholder carbon og hydrogen. OLIE OG PLAST Det mindste carbonhydrid er methan, der har formlen CH 4. Plast består af meget store molekyler, makromolekyler. Plast fremstilles ved polymerisation, hvor korte molekyler (monomerer) kobles sammen til lange molekyler (polymerer). 132

133 PRØV DIG SELV Hvad betyder ordet nano? Hvad er armeret beton? Hvilke tre grundstoffer er de vigtigste for planterne? Hvor kommer asfalt fra? Hvad hedder den mest almindelige plasttype? KAN DU HUSKE? UDFORDRING Hvorfor har man ikke opdaget nanopartikler inden 1990? Hvorfor kan man støbe med beton under vand, men ikke bruge mørtel under vand? Undersøg ved hjælp af internettet, hvorfra i verden gødningsfabrikkerne får deres råstoffer. Hvorfra får de fx phosphat? Hvilke egenskaber ved tjære og asfalt gør dem velegnede til belægning af veje? FORSTÅR DU? Hvorfor skal stofferne i gødning være letopløselige i vand? Hvorfor kan man adskille råolien i fraktioner ved destillation? På et raffinaderi cracker man carbonhydrider, dvs. omdanner lange molekyler til kortere. Hvorfor? Hvorfor er termoplast særlig nyttig?

134 KAPITEL 7

135 Madens kemi KEMISKE STOFFER I MADEN DRIKKEVARER PRODUKTION AF FØDEVARER SUND MAD FARLIG MAD CAFE KOSMOS: TYGGEGUMMI Menneskekroppen opbygges af de stoffer, som vi spiser og drikker. Kroppen danner hele tiden nye celler til erstatning for dem, der dør. Knogleceller holder i år. Hudceller dør efter ca. 20 dage og nogle blodceller efter bare 30 timer. Kroppen omdanner noget af maden, så der dannes energi. Den bruges til at holde kroppen i gang. Vi skal kunne bevæge os. Vi skal trække vejret, blodet skal pumpes rundt i kroppen, og temperaturen skal holdes på 37 C. Alt levende må optage stoffer fra omgivelserne og skabe energi ud af disse stoffer. Hvorfor har kroppen brug for proteiner? Smager blod sødt? Hvad er en sportsdrik? Hvilke stoffer er der i mælk? Hvorfor er der tilsætningsstoffer i mad? Hvorfor er karameller og colaer brune? 135

136 KAPITEL 7 MADENS KEMI Kemiske stoffer i maden Når maden er spist, skal de kemiske stoffer i maden transporteres ud til alle celler i kroppen. De stoffer, cellerne har brug for, skal derfor være i maden. Vi kan kun fungere og arbejde, hvis maden indeholder disse stoffer. De kaldes kulhydrater, fedtstoffer og proteiner. Desuden skal der være mineraler, vitaminer og vand. Kulhydrater, fedtstoffer og proteiner Lidt forenklet kan man sige, at kulhydrater og fedt giver energi, mens proteiner opbygger cellerne. Kulhydrater, fedtstoffer og proteiner er opbygget af grundstofferne carbon, hydrogen og oxygen, men i forskellige mængdeforhold. Proteinerne indeholder dog også grundstofferne nitrogen, svovl og phosphor. Vandmængden i kroppen ligger fra 60 til 70 %. Der er forskel på vandindholdet i mænd og kvinder, og på børn og ældre. Kulhydrater Bolsjer, pasta, bananer og colaer har noget til fælles. De indeholder sukker. Der er dog flere slags sukker. Fællesnavnet for dem er kulhydrat. Grundstofferne i: kulhydrater fedtstoffer C C H H O O proteiner C H O N S P Sukkerindhold pr. 100 g Æblesaft Cola Banan Chokolade Vingummi Bolsjer 8 g 11 g 15 g 40 g 43 g 54 g Ordet kulhydrat fortæller, at kulhydraterne indeholder kul, dvs. carbon. Hydrat betyder vand. Kulhydrater kan derfor opfattes som sammensat af carbon og vand. Fx har molekylet for den mest simple sukkerform, glucose, formlen C 6 H 12 O 6. Molekylet kan opfattes, som om det er opbygget af seks carbon-atomer og seks vandmolekyler. Planterne danner kulhydrater ved hjælp af fotosyntesen. 136

137 KAPITEL 7 MADENS KEMI Carbon tages fra luftens carbondioxid, CO 2, og vand fra jorden. Uden planterne ville der ikke være kulhydrater på Jorden. De forskellige slags kulhydrater kan opdeles i tre grupper: monosaccharider, disaccharider og polysaccharider. Monosaccharider Den mest simple form for sukker er monosacchariderne. De har formlen C 6 H 12 O 6. Forstavelsen mono betyder en, og den viser, at der kun er en enhed af C 6 H 12 O 6 i molekylet. De to mest almindelige monosaccharider hedder glucose og fructose. Sukkeret i vindruer er glucose, der også kaldes druesukker. Fructose findes i mange frugter og i honning. Både glucose og fructose har den kemiske formel, C 6 H 12 O 6, men atomerne i molekylerne er ikke forbundet på samme måde. Disaccharider En anden type sukker, disacchariderne, er opbygget af to monosaccharider, der er bundet sammen til ét molekyle, et disaccharid. Forstavelsen di betyder to. Når to molekyler monosaccharid bindes sammen til et disaccharid, frigives et vandmolekyle. Formlen for et disaccharid bliver derfor C 12 H 22 O 11. Reaktionen skrives: Blodsukker Blod smager sødt, for der er sukker i blod. Det kaldes blodsukker. Det er samme type kulhydrat som i vindruer, dvs. glucose. Mad med kulhydrater Monosaccharider: Vindruer indeholder glucose. Derfor kaldes glucose også for druesukker. Tomater indeholder fructose. Disaccharid: Chokolade indeholder rørsukker. Polysaccharider: Knækbrød indeholder bl.a. cellulose. Kartofler indeholder stivelse. C 6 H 12 O 6 + C 6 H 12 O 6 C 12 H 22 O 11 + H 2 O Det almindelige hvide sukker hedder rørsukker. Det udvindes af sukkerrør og sukkerroer. Rørsukker er et disaccharid, der er sammensat af et molekyle glucose og et molekyle fructose. Kopiark 7.1 Polysaccharider De største molekyler af sukker er polysacchariderne. De er opbygget som en kæde af monosaccharider. Forstavelsen poly betyder mange. Stivelse og cellulose er polysaccharider. Et stivelsesmolekyle indeholder 200 til 2000 glucosemolekyler. Der er stivelse i mange fødevarer, fx brød, kartofler og ris. Ren stivelse er et hvidt pulver uden lugt og smag. Fibrene i planter og træ er opbygget af cellulose. Det er ekstra lange polysaccharider. Kopiark

138 KAPITEL 7 MADENS KEMI Monosaccharider og disaccharider Test for monosaccharid: Hæld ca. 400 ml vand i et bægerglas, og varm det op næsten til kogepunktet. Hæld et par dråber fortyndet natriumhydroxid-opløsning, NaOH, i et reagensglas. Fyld reagensglasset halvt op med vand, og hæld lidt glucose i. Tilsæt et par dråber kobbersulfat-opløsning, CuSO 4, indtil opløsningen bliver lyseblå. Sæt reagensglasset ned i bægerglasset, og lad det stå nogle minutter i det varme vand. Hvad sker? EKSPERIMENT Det røde bundfald består af et kobber-oxid, Cu 2 O, der indeholder kobber-ionen, Cu +. Det viser, at sukkeret er et monosaccharid. Cu 2+ -ionen i kobbersulfat er ved reaktionen med monosaccharidet blevet reduceret til en Cu + -ion, en kobber-ion med kun én ladning. Test almindeligt sukker. Det er et disaccharid. Dannes der rødt bundfald? Tilsæt et par ml fortyndet saltsyre, og varm igen reagensglasset i bægerglasset. Nu dannes der et rødt bundfald, for syren spalter disaccharidet i to monosaccharider. Proteiner Proteiner er et vigtigt byggemateriale for kroppen, fx er negle, hår, muskler og sener opbygget af proteiner. Proteiner kan ikke oplagres i kroppen til senere brug. Derfor skal en voksen hver dag spise ca. 60 g protein. Børn skal i forhold til deres vægt have mere protein end voksne, for børn vokser. Bl.a. kød, bønner, ost og æg indeholder proteiner. En gammel betegnelse for proteiner er æggehvidestoffer. Protein-indhold i procent Mælk Korn Blod Knogler Hår

139 KAPITEL 7 MADENS KEMI Der findes flere millioner forskellige proteiner, men menne - skets krop indeholder kun omkring af dem. Proteinerne er opbygget af aminosyrer. Således kan et enkelt protein være opbygget af op til aminosyrer. Man kan forestille sig et protein som en perlekæde, hvor perlerne er de enkelte aminosyrer. Typen og rækkefølgen af perlerne (aminosyrerne) samt længden af kæden bestemmer, hvilket protein der er tale om. Vi skal bruge 20 forskellige aminosyrer for at opbygge de proteiner, der er i kroppen. Otte af disse aminosyrer (for børn er det ti) kan kroppen ikke selv danne. De må tilføres med føden. Disse otte aminosyrer kaldes essentielle (livsnødvendige) aminosyrer. Kun planter kan opbygge alle proteiner ud fra mere simple forbindelser. Dyr og mennesker kan ikke. Under fordøjelsen nedbrydes proteinerne til mindre og mindre kæder, og til sidst til de enkelte aminosyrer. De transporteres derefter med blodet ud til alle kroppens celler, hvor aminosyrerne bruges til opbygning af kroppens egne proteiner. Proteinerne fra dyr indeholder flere af de essentielle aminosyrer, end planterne gør. Derfor skal vegetarer spise mange ærter og bønner for at få nok af de essentielle aminosyrer. Kopiark 7.3 H H 2 N C COOH H Opbygning af et protein 1. Det mest simple aminosyremolekyle, glycin. 2. Aminosyrer. 3. Aminosyrer bindes sammen til en kæde, et protein. 4. Proteinet bukkes til en spiral. Når man pisker æggehvide, får man et fast stof. Omdannelsen fra flydende til fast stof sker, når proteinerne omdannes fra spiralform til lange kæder. Proteintilskud Medmindre man dyrker meget hård motion, skal man ikke tage tilskud af proteiner. Overskud af proteiner i kosten kan ikke oplagres, men omdannes til kropsfedt. 139

140 KAPITEL 7 MADENS KEMI Model for opbygningen af et fedtstof Glycerolmolekylet kan binde netop tre fedtsyrer. De kan være forskellige eller ens. Nyttige oplysninger Kulhydrater kan opdeles i tre grupper: monosaccharider, disaccharider og polysaccharider. Monosacchariderne har formlen C 6 H 12 O 6. Forstavelsen mono betyder en. De to mest almindelige monosaccharider er glucose og fructose. Glucose findes bl.a. i vindruer. Fructose findes i mange frugter og i honning. Druesukker er et ældre navn for glucose. Disacchariderne er opbygget af to mono - saccharider, der er bundet sammen til ét molekyle. Forstavelsen di betyder to. Almindeligt hvidt sukker er et disaccharid, der hedder rørsukker. Æggehvidestoffer er en ældre betegnelse for proteiner. Proteinerne er opbygget af aminosyrer. Fedtstoffer indeholder ofte tre fedtsyrer, der holdes fast af stoffet glycerol. De forskellige fedtstoffer indeholder forskellige fedtsyrer. Stearinsyre, C 17 H 35 COOH, er en meget kendt fedtsyre. Fedtstoffer I kroppen har fedtet fire vigtige opgaver: Fedt skal give energi til kroppen. Fedt skal bringe de fedtopløselige vitaminer A, D, E og K ud til kroppens celler. Fedt skal isolere kroppen, så der ikke afgives for meget varme til omgivelserne. Fedt skal virke stødabsorberende for kroppens indre organer. Fedt kan oplagres i kroppen, indtil det skal bruges af cellerne for at producere energi. Alle fedtstoffer er opbygget på samme måde. Molekylerne består oftest af tre fedtsyrer, der holdes fast af stoffet glycerol. De forskellige fedtstoffer indeholder forskellige fedtsyrer. En meget kendt fedtsyre er stearinsyre. Formlen for stearinsyre kan skrives som C 17 H 35 COOH. Molekylet er opbygget med en lang carbonkæde: H H H H H H H H H H H H H H H H H O H C C C C C C C C C C C C C C C C C C OH H H H H H H H H H H H H H H H H H = Fedt i kød indeholder ofte op til 30 % stearinsyre. Der er også stearinsyre i fedtstoffet i chokolade. Et ægte stearinlys er lavet af stearinsyre. Det er stearinsyre, der brænder, når lyset brænder. Kopiark 7.4 og 7.5 Fedtindhold i 100 g Avocado 24 g Pølse 41 g Chokolade 30 g Ost 31 g Valnødder 64 g 140

141 KAPITEL 7 MADENS KEMI Drikkevarer Kroppen skal have vand for at erstatte det vand, der forsvinder med udåndingsluften og med sveden. Når sveden på kroppen fordamper, afkøles kroppen. Hvis man derfor ikke kan svede på grund af vandmangel, vil kroppens temperatur stige til over de 37 C. Det ender med, at personen kollapser. Sportsdrik En sportsdrik skal give kroppen tre ting: vand, salte og energi. Kroppen skal have tilført de salte, som tabes med sveden, og kroppen skal have energi i form af sukker (kulhydrat). Det sendes rundt i kroppen med blodet. Sukkeret i blodet kaldes blodsukker. Mængden af sukker i blodet skal holdes på en fast koncentration. Falder blodsukkeret under en vis koncentration, går man sukkerkold, og præstationsevnen falder. Den perfekte sportsdrik En sportsdrik skal indeholde salte svarende til sammensætningen af normal sved. Sportsdrikken kan indeholde flere forskellige former for sukker. Det mest almindelige er at benytte glucose (druesukker). Det er den sukkerform, som findes i blodet, og som hurtigst optages i kroppen. I en isotonisk sportsdrik er mængdeforholdet mellem vand og salt det samme som i kroppens celler og i blodet. Mængden af sukker ligger fra 6 til 8 %. Kopiark 7.6 Mælk Mælk fra en ko indeholder næsten 90 % vand og ofte fra 3 til 4 % fedt. Fedt er ikke opløseligt i vand. I mælk flyder en mængde små fedtkugler rundt i vandet. Størrelsen af fedtkuglerne er 1 mindre end 50 mm. Fedtkuglerne klumper ikke sammen, fordi de er omgivet af et tyndt lag af proteiner, en membran. En sådan fedtkugle omgivet af en membran kaldes en micelle. Fedtmicellerne gør mælken uigennemsigtig og giver mælken dens hvidgule farve. Hvis fedtkuglerne fjernes, bliver mælken blålig, som fx skummetmælk. I mælk findes også calcium-ioner, Ca 2+, og forskellige phosphat-ioner. De er alle vigtige for at få sunde knogler og tænder. Ioner i en liter sved Mængden kan variere fra person til person 0,02 g calcium-ioner, Ca 2+ 0,05 g magnesium-ioner, Mg 2+ 0,23 g kalium-ioner, K + 1,15 g natrium-ioner, Na + 1,48 g chlorid-ioner, Cl 141

142 KAPITEL 7 MADENS KEMI Finhvalens mælk indeholder mere end 10 gange så meget protein og fedt som modermælk. Finhvalen er verdens næststørste dyr. Finhvaler kan blive op til 27 m lange og veje op til 80 ton. Hunnen føder en unge hvert andet eller hvert tredje år. Ungen dier i 6-7 måneder. Nyfødte finhvaler er over 6 m lange og vejer ca. 2 ton. På mejeriet Når mælken kommer til mejeriet, bliver den centrifugeret. Da fedtkuglerne vejer mindre end resten af mælken, samler fedtkuglerne sig i midten af centrifugen som fløde. Den fjernes, og af noget af den fremstilles smør. Under centrifugeringen opvarmes mælken i kort tid til 75 C, så bakterier slås ihjel. Mælken er nu blevet pasteuriseret. Mælken kan herefter blive homogeniseret. Ved denne proces omdannes store fedtkugler til mindre. De mindre kugler kan lettere flyde rundt i mælken uden at klumpe sig sammen og uden at stige op til et lag fløde. Næring i mælk Mælk er det eneste naturlige levnedsmiddel, der er bestemt til netop fortæring. Proteinerne i mælk har præcis den fordeling af de essentielle (livsnødvendige) aminosyrer, som kroppen behøver. I andre fødevarer kan der være underskud af en eller flere af de essentielle aminosyrer. Efter fødslen fordobler et barn sin vægt i løbet af 100 dage. En kalv behøver kun 50 dage, da komælk indeholder mere end dobbelt så meget af protein og mineraler som modermælk. Kopiark 7.7 Vand med brus Mange drikkevarer indeholder carbondioxid, CO 2. Det giver en syrlig smag. Når man åbner for en sådan flaske, dannes en masse små bobler af CO 2, der stiger til vejrs. Det giver en prikkende smag. Mineralvand og sodavand får CO 2 tilsat kunstigt. CO 2 pumpes ved højt tryk ned i væsken, hvor størstedelen af CO 2 opløses i vandet. Kopiark 7.8 Vin, øl og champagne I vin og champagne opstår CO 2 -indholdet ved gæring. Sukkeret i druesaften omdannes af gærceller til alkohol og CO 2. Reaktionen skrives: C 6 H 12 O 6 2 C 2 H 5 OH + 2 CO 2 142

143 KAPITEL 7 MADENS KEMI EKSPERIMENT Et colaspringvand Tag proppen af en stor (2 L) flaske sukkerfri cola. Bor et 4 mm hul i proppen. Bor et tyndt hul (1-2 mm) gennem fem stykker pebermynte- Mentos. Træk en sytråd gennem proppen. Sæt pastillerne på sytråden under proppen. Træk den anden ende af sytråden op gennem proppen. Hæld lidt cola ud af flasken. Sæt flasken stabilt på jorden udendørs. Hold fast i begge ender af sytråden, og sænk forsigtigt pastillerne ned i fla sken. Stram hele tiden op i sytråden, så pastillerne ikke når ned til colaen. Hold fast i sytråden, mens proppen skrues til. Slip begge ender af sytråden, og løb væk. Alkoholen, C 2 H 5 OH, har det kemiske navn ethanol, der i daglig tale kaldes sprit. Det er den samme reaktion, der sker ved fremstilling af øl. Her er det sukkeret i kornsorten byg, der omdannes til ethanol og CO 2. Under gæringen slipper der CO 2 ud til omgivelserne. Derfor har man i bryggerier en grænseværdi for, hvor højt indholdet af carbondioxid i luften må blive. Her regner man med en grænseværdi på 0,5 %. Når man laver champagne, tilsætter man ekstra sukker, så der dannes meget CO 2. Herved bliver trykket i flasken meget højt. Det kan være farligt. Når man skal åbne en flaske champagne, må man ikke holde flasken rettet mod andre personer. Proppen ryger af med så stor fart, at den kan slå et øje itu. I en ølflaske er trykket ikke så højt. Kopiark 7.9 Alkoholen, C 2 H 5 OH, har det kemiske navn ethanol. Molekylet ligner en hund. 143

144 KAPITEL 7 MADENS KEMI Reaktion og ligevægt Når man skriver en reaktion bruges en reaktionspil: Når man skriver en ligevægt bruges en dobbeltharpun : Nyttige oplysninger En sportsdrik indeholder 6-8 % sukker og desuden salte svarende til sammensætningen i normal sved. I en isotonisk sportsdrik er mængdeforholdet mellem vand og salte det samme som i kroppens celler og i blodet. Komælk indeholder næsten 90 % vand og ofte fra 3 til 4 % fedt. En micelle i mælk er en lille fedtkugle omgivet af en membran af proteiner. Størrelsen 1 af fedtkuglerne er mindre end 50 mm. Ved pasteurisering opvarmes mælk i kort tid til 75 C, så bakterier slås ihjel. Ved homogenisering af mælk omdannes store fedtkugler til mindre. Alkoholen ethanol, C 2 H 5 OH, dannes ved gæring af sukker. Ved en kemisk ligevægt findes noget af de reagerende stoffer sammen med noget af produkterne, fx når CO 2 opløses i vand. En del af CO 2 reagerer med vandet og danner kulsyre, H 2 CO 3. En reaktionspil, bruges, når man skriver en kemisk reaktion. En dobbeltharpun, bruges, når man skriver en kemisk ligevægt. Kemisk ligevægt I drikkevarer med CO 2, reagerer noget CO 2 med vandet og danner kulsyre, H 2 CO 3. Reaktionen kan skrives: H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 I vandet findes herefter både kulsyre og luftarten CO 2 opløst i vandet. Indholdet smager syrligt. Det er smagen af kulsyren. Disse to stoffer danner en såkaldt ligevægt. Det vises ved ikke at skrive en reaktionspil, men en dobbeltharpun. Den fortæller, at reaktionen kan gå både til højre og til venstre. Hvis man øger trykket af CO 2, vil der dannes mere H 2 CO 3. Reaktionen vil gå mod højre. Hvis man fjerner noget CO 2, vil en del af kulsyren omdannes, så der dannes mere CO 2. Reaktionen vil gå mod venstre. Det kan man se, når man tager proppen af en flaske med brus. Når boblerne stiger til vejrs i væsken, og CO 2 forsvinder op gennem overfladen, vil noget af kulsyren omdannes til mere CO 2, der også kan stige til vejrs som bobler. Efter et stykke tid er kulsyren i væsken forsvundet. Nu smager væsken ikke mere syrligt. Smagen er ikke længere frisk, og man siger, at smagen er flad. Man kan også måle, hvordan ph-værdien stiger, efter at proppen er taget af flasken. Mineralvand indeholder CO 2 144

145 KAPITEL 7 MADENS KEMI Produktion af fødevarer I næsten al forarbejdet mad er der tilsat såkaldte tilsætningsstoffer. De skal forbedre maden. Nogle påvirker holdbarheden, andre smag og udseende. Brugen af tilsætningsstoffer diskuteres meget, for mange mener, at nogle af tilsætningsstofferne kan være skadelige, og at man skal bruge madvarerne i deres rene form. Tilsætningsstoffer Ifølge regler i EU må de stoffer, der tilsættes mad, ikke være skadelige. De skal alle have været gennem mange undersøgelser. Stoffer, der ikke er undersøgt, må ikke bruges i madvarer. Listen over godkendte tilsætningsstoffer kaldes Positivlisten. Nogle af tilsætningsstofferne har lange indviklede kemiske navne, og derfor har alle godkendte tilsætningsstoffer fået et E- nummer, der er lettere at huske. Hvis der er tilsætningsstoffer i en madvare, der er fremstillet på en fabrik, skal tilsætningsstofferne nævnes på etiketten, enten med deres navn eller med deres E-nummer. Det skal også nævnes, hvilken funktion tilsætningsstoffet har. Stofferne i Positivlisten kan deles op i mange forskellige grupper. Der er fx farvestoffer, konserveringsmidler, antioxidanter og sødestoffer. Farvestoffer har E-numre fra E 100. Farvestoffer bruges fx i kager, slik og sodavand. Friske grøntsager, kød, fisk, brød og mælk må ikke farves. Farvestoffet karamel (sukkerkulør), der giver farve til cola, betegnes E 150. Konserveringsmidler har E-numre fra E 200. Konserverings - midler bruges i fx brød, leverpostej og pølser. Antioxidanter har E-numre fra E 300. Antioxidanter bruges i fx margarine og madolier. Antioxidanter er stoffer, der hin drer madvarer i at reagere med luftens oxygen. Antioxidanter kan hindre, at fedtstoffer bliver harske. I mad, der indeholder frugt, hindrer de, at maden ændrer farve eller mister smag. Uden antioxidanter vil frugten blive brun. Ascorbinsyre (C-vitamin) betegnes E 300. Denne antioxidant tilsættes æblemos, så den forbliver gul og ikke bliver brun. Nogle tilsætningsstoffer er dannet i naturen, mens andre er syntetiske, dvs. de er kunstigt fremstillet. Metaller i mad Det er tilladt, at blande metal i nogle madvarer. Aluminium har E-nummer 173, sølv E 174 og guld har E 175. Man mener ikke, at disse tre metaller i små mængder kan skade os. Aspartam et kunstigt sødemiddel Aspartam søder 200 gange mere end almindeligt sukker. Derfor er aspartam et af de mest benyttede tilsætningsstoffer. 145

146 KAPITEL 7 MADENS KEMI Aromastofferne kan opdeles i tre grupper: 1. De naturlige, der er udvundet fra naturstoffer. 2. De natur-identiske, der er syntetisk fremstillet, men også forekommer i naturen. 3. De syntetiske, der ikke findes i naturen. Aroma- og smagsstoffer omfatter de kunstige sødemidler, fx aspartam, der kendes fra sukkerfri læskedrikke. Aspartam betegnes E 951. Spegepølsen indeholder antioxidanten ascorbinsyre og konserveringsmidlet natriumnitrit. Bagning Når man skal bage brød, bruger man mel. Det er korn, der er malet (knust) til et fint pulver. Man blander vand og gær i melet. Blandingen kaldes dej. Gær består af gærceller, der er levende organismer. De spiser sukkeret i dejen og udskiller luftarten carbondioxid, CO 2. Det får brødet til at hæve. Når dejen sættes i ovnen, dræber den høje temperatur gærcellerne. Når man bager kager, bruger man ofte bagepulver i stedet for gær. Det mest almindelige bagepulver hedder natron. Det er stoffet natriumhydrogencarbonat, NaHCO 3. Det er et fint pulver, der blandes godt ind i dejen. Ved bagningen i ovnen med Hullerne i ost Ved produktion af ost sker der en gæringsproces, hvor mælkesukkeret omdannes. Herved dannes CO 2. Denne luftart presser efterhånden osten væk, så de karakteristiske huller opstår. Den danske forsker Sigurd Orla-Jensen var den første, der i 1904 kunne forklare, hvordan hullerne i ost opstår. Han kaldes derfor ofte for manden, der opfandt hullerne i ost. KGB7.20 foto MANGLER af emmenthalerost med store huller 146

147 KAPITEL 7 MADENS KEMI EKSPERIMENT Fremstilling af farvestoffet i cola Farvestoffet i cola er karamel (sukkerkulør). Det fremstilles af sukker. Læg en spiseskefuld sukker på en teflonbelagt pande. Læg endnu en spiseskefuld sukker et andet sted på panden. Læg en halv teskefuld hjortetakssalt oven på den ene sukkerbunke, og bland denne bunke godt sammen. Læg en halv teskefuld vand oven i hver bunke, og rør vandet godt ind i bunkerne. Opvarm panden, mens der med hver sin teske røres rundt i de to bunker. Stop opvarmningen, når bunken med hjortetakssalt er blevet brun. Hver af de to bunker opløses i en halv liter vand. Er der forskel på farven af opløsningerne? Ved opvarmning omdannes sukkeret til mange forskellige forbindelser. Man siger, at sukkeret karamelliseres. Denne reaktion går hurtigst, når der er ammonium-ioner, NH + 4, til stede. De kommer fra hjortetakssaltet, der har den kemiske formel ammoniumcarbonat, (NH 4 ) 2 CO 3. den høje temperatur spaltes bagepulveret og frigiver carbondioxid og vanddamp. Det får kagen til at hæve. Den kemiske reaktion kan skrives som: 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O Et andet bagepulver er hjortetakssalt. Det består af ammoniumcarbonat, (NH 4 ) 2 CO 3. Når det opvarmes, dannes luftarterne ammoniak, NH 3 og CO 2. Ved bagningen er temperaturen højest på ydersiden af dejen. Den høje temperatur spalter kulhydraterne i melet. Herved dannes mange forskellige kemiske forbindelser, der har en brun farve. Det giver brødets skorpe den brune farve. Denne reaktion kaldes karamellisering. Den brune farve i karameller opstår ved opvarmning af sukker. Ved opvarmning af sukker fås det brune sukkerkulør. Dette farvestof bruges til at farve øl, sovs, eddike, cognac og colaer. Kopiark 7.10, 7.11, 7.12, 7.13, 7.14 og 7.15 Nyttige oplysninger Positivlisten er en fortegnelse over stoffer, der må tilsættes mad. Tilsætningsstofferne har alle et E-nummer. Karamel (sukkerkulør), der bl.a. giver farve til cola, betegnes E 150. Antioxidanter er stoffer, der hindrer madvarer i at reagere med luftens oxygen. Bagepulver spaltes ved høj temperatur og frigiver luft og vanddamp. Natron, natriumhydrogencarbonat, NaHCO 3, er det mest almindelige bagepulver. Natron spaltes således: 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O. Sukker karamelliseres (brunfarves) ved høj temperatur. 147

148 KAPITEL 7 MADENS KEMI Sund mad farlig mad Sund mad skal indeholde vitaminer og mineraler, men al mad bliver efter et stykke tid dårlig. Det sker, fordi stofferne i maden reagerer med luftens oxygen, eller fordi mange mikroorganismer som fx svampe og bakterier spiser af maden. Mikroorganismerne skal ligesom større levende væsner have føde for at få energi og for at vokse og formere sig. Når mikroorganismerne formerer sig, kan der blive så mange, at maden bliver farlig at spise. Mineraler Kroppen skal bruge mineraler, der indeholder bestemte grundstoffer. Vitaminpiller indeholder disse mineraler. Fx skal kroppen have meget calcium, phosphor og natrium. Andre grundstoffer, som fx jern, iod og selen, behøves kun i mindre mængde. Calcium-ioner, Ca 2+, bruges til opbygning af skelettet og tænderne. Hertil skal også bruges phosphor. Natrium-ioner, Na +, findes i kropsvæskerne. Natriumionerne er vigtige for de elektriske signaler i nerverne. Jern-ioner, Fe 2+, er en vigtig del af blodet. De indgår i et stof, der hedder hæmoglobin. Det hjælper til at føre oxygen ud i kroppen. Iodid-ioner, I, er nødvendige for dannelsen af hormoner, der indgår i omsætningen af føden. Selen er vigtig for kroppens immunsystem, der skal bekæmpe infektioner. Vitaminer Vitaminer er kemiske stoffer, der indgår i mange enzymer. Enzymer er stoffer, der kontrollerer kemiske reaktioner i kroppen. I mange tilfælde øger de hastigheden af reaktionerne, dvs. de fungerer som en slags katalysatorer. Der er 13 forskellige vitaminer, der kan inddeles i to slags: de vandopløselige og de fedtopløselige. Kroppen kan ikke selv danne vitaminer. De må indtages med føden. Dog kan D-vitamin dannes i huden, når den rammes af sollys. Bakterier i tarmen kan danne K-vitamin. Selv om vitaminer kun findes i ringe mængde i kroppen, er deres betydning stor, og derfor kan vitaminmangel føre til alvorlige sygdomme. 148

149 KAPITEL 7 MADENS KEMI A-vitamin Findes i smør, mælk, æg, tomater og gulerødder. Mangel på A-vitamin giver dårligt syn i mørke. Slimhinderne udtørres, så de ikke beskytter så godt mod infektioner. B-vitamin Findes i gryn, groft brød, ost, fisk og kød. Mangel på B-vitamin giver mindre madlyst samt revner i mundhulen og på tungen. C-vitamin Findes i frugt, bær og grøntsager. Mangel på C-vitamin giver træthed og mindsket modstandskraft mod infektioner. D-vitamin Findes i fisk, mælk, smør og lever. Mangel på D-vitamin giver ringere optagelse af calcium, så man får svagere knogler og dårlige tænder. K-vitamin Findes i grøntsager, æg og ost. Mangel på K-vitamin bevirker, at blodet i sår ikke kan størkne. Først når blod størkner, stopper blødningen. Konservering Et af de kraftigst virkende giftstoffer dannes af en bakterie. Denne gift medfører hvert år mange dødsfald i Danmark. Sygdommen kaldes pølseforgiftning. Bakterien kan formere sig i kødvarer, der ikke har fået tilsat et konserveringsmiddel, og som er opbevaret for varmt. For at undgå at blive syg af dårlig mad, skal man holde maden frisk. Hvis man derfor vil opbevare mad i længere tid, skal maden gøres holdbar, dvs. konserveres. Det kan man gøre ved at slå mikroorganismerne ihjel eller ved at opbevare maden i en tilstand, der hindrer mikroorganismerne i at formere sig. Kopiark 7.16 og 7.17 Konservering kan ske på to måder: Man slår mikroorganismerne ihjel. Man hæmmer mikroorganismernes formering. Konservering, der slår mikroorganismer ihjel Opvarmning: Ved at opvarme mad kan man forlænge holbarheden og samtidig slå alle mikroorganismerne ihjel. Gær og skimmelsvampe dør, når maden opvarmes til over 60 C. For at slå alle bakterier ihjel, skal temperaturen op på over 80 C. Ved pasteurisering af mælk, hvor mælken kortvarigt opvarmes til 75 C, slås næsten alle mikro organismerne i mælken ihjel. Konserveringsmetoder, der hæmmer mikroorganismernes formering Maden opbevares i en lufttæt beholder: Konservesdåserne blev opfundet ca Når låget er sat lufttæt på, opvarmes dåsen, så mikroorganismerne slås ihjel. 149

150 KAPITEL 7 MADENS KEMI Energiindhold kj pr. gram Fedt 39 Protein 17 Kulhydrat 17 Alkohol 30 Megajoule og kilojoule En megajoule (MJ) er en million joule. 1 MJ = 10 6 J En kilojoule (kj) er tusind joule. 1 kj = 10 3 J Køleskab og fryser: Ved lav temperatur formerer mikroorganismer sig meget langsomt. Frysetørring: Bær og supper kan frysetørres. I en stor beholder afkøles de hurtigt til 80 C. Herved fryser alt vandet hurtigt til is. Herefter pumper man luften ud af beholderen. Ved det lave tryk sublimerer iskrystallerne, dvs. de bliver til vanddamp. Den pumpes ud, og når maden herefter varmes op igen, er vandet væk, og uden vand kan mikroorganismerne ikke leve. Maden gøres sur: Hvis man tilsætter noget syre, fx eddike, til maden, kan mikroorganismerne ikke formere sig så godt. Agurker, asier og rødbeder gemmes i glas i en lage af eddike. Yoghurt har længere holdbarhed end mælk, for yoghurt fremstilles ved at nogle bakterier, mælkesyrebakterier, omdanner sukkeret i mælk til mælkesyre. Saltning: Når der tilsættes meget salt til maden, trækkes vandet ud, og mikroorganismerne kan ikke leve i den salte mad. Når man senere skal spise maden, lægges den i vand, indtil saltet er trukket ud af maden. Maden gøres sød: Hvis man hælder meget sukker i maden, trækkes vandet også ud. Marmelade og syltetøj kan holde sig, hvis sukkerindholdet er højt nok. Andre konserveringsmidler: Her kan man bruge forskellige andre syrer, som fx benzoesyre, og sorbinsyre. På en biograftur spiser børn og unge gennemsnitligt 172 gram slik, chokolade eller popcorn. Samtidig drikker de en kvart liter sodavand. Dette biografmåltid har et energiindhold på 3,3 MJ. Energien i mad I maden er der fire slags næringsstoffer, som kroppen kan omsætte og herved få energi. Det er kulhydrat, proteiner, fedt og alkohol. Ved forbrændingen af maden i kroppen reagerer maden med oxygen i cellerne: mad + oxygen vand + carbondioxid + energi Fedt indeholder mest energi. Et gram fedt giver en energi på 39 kilojoule. 150

151 KAPITEL 7 MADENS KEMI EKSPERIMENT Energien i alkohol Sæt en beskyttelsesskærm op, og bær briller. Skær et cirkulært hul i siden på en 250 ml plastflaske. Hullet skal være så stort, at spidsen af en fyrfadslighter lige kan gå igennem. Hæld 3 ml 95 % ethanol i flasken og sæt en prop løst i halsen på flasken. Sæt en finger for hullet og ryst flasken grundigt. Sæt spidsen af fyrfadslighteren ind i åbningen og tænd. Ethanolen antændes og brænder i en eksplosion, der blæser proppen af flasken. Alkohol brænder godt, fordi energiindholdet i alkohol er stort, 30 kj pr. gram. Det er årsagen til, at man kan bruge alkohol i stedet for benzin som brændstof i biler. I en bilmotor antændes alkoholen af gnisten i tændrøret, og stemplet i motoren skubbes ned. En aktiv pige har brug for omkring 9 MJ om dagen. En dreng omkring 11 MJ. Hvis man spiser mere, omdannes det til fedt i kroppen. Fx har man kun brug for ca. 125 g sukker om dagen. En chokolademuffin indeholder fx 2,4 MJ. Det er mere end en portion frikadeller med kartofler, salat og lidt dressing. Omkring to tredjedele af biografernes indtægter kommer fra selve filmene. Resten kommer fra salget af usunde madvarer. I nogle biografer kan man få menuer med 1,8 liter sodavand og 6,5 liter popcorn. Denne menu har et energiindhold på over 10 MJ. Det er al den energi, man bør få på en hel dag, og det svarer til mere end to ugers anbefalet indtagelse af tomme kalorier for børn. En fødevareekspert har kaldt menuen for knald i låget. Forbruget af sukker stiger hvert år. Og det gør mængden af slik også. En lille sodavand er ikke så lille som i gamle dage. Før var den på 25 centiliter, nu er den på 50. Hvis al sukkersødet sodavand blev udskiftet med vand, ville gennemsnitsdanskeren tabe næsten 7 kg på et år. Nyttige oplysninger Calcium-ioner, Ca 2+, bruges til opbygning af skelettet og tænderne. Natrium-ioner, Na +, er vigtige for de elektriske signaler i nerverne. Jern-ioner, Fe 2+, er en vigtig del af blodet. Enzymer er stoffer, der kontrollerer kemiske reaktioner i kroppen. D-vitamin findes i fisk, mælk, smør og lever. Mangel på D-vitamin giver ringere optagelse af calcium, så man får svagere knogler og dårlige tænder. Ved konservering slås mikroorganismer ihjel, eller deres formering hæmmes. Energiindholdet i fedt er højt, 39 kj pr. gram. 151

152 CAFE KOSMOS TYGGEGUMMI Hver dansker tygger i gennemsnit 250 stykker tyggegummi om året. carbonkæder med enkeltbindinger mellem carbon-atomerne. Der er dog også nogle dobbeltbindinger i carbonkæderne. De bevirker, at tyggegummiet bliver blødt. Sødemidlerne kan være almindeligt sukker, sorbitol (der fås fra majs eller hvede), xylitol (som fås fra majs eller birkebark) eller aspartam, der er et kunstigt fremstillet sødemiddel, og som søder 200 gange mere end almindeligt sukker. Smagsstofferne kan fx være lakrids, mentol, pebermynte, aroma fra jordbær, citron, æble eller cola. Smagsstofferne opløses af spyttet, og mængden af smagsstof i tyggegummiet er tilpasset den normale tyggetid, der er lige omkring 20 minutter. HVORFOR ER TYGGEGUMMI ELASTISK? For at et stof kan være elastisk, skal det have lange, trådlignende mole - DET ÆLDSTE TYGGEGUMMI Arkæologer har ved en udgravning i det sydlige Sverige fundet en klump tyggegummi, der er 9000 år gammel. Klumpen er en blanding af honning og harpiks fra birketræer. Man kan se, at det var tyggegummi, for der er tandmærker i klumpen. INDHOLDET I TYGGEGUMMI Tyggegummi består af gummi, sø de - midler, smagsstoffer, blødgørings - stoffer og farvestoffer. Et typisk stykke tyggegummi kan bl.a. indeholde: 30 % gummi 60 % sødemidler 3-4 % smagsstoffer 2 % blødgøringsstoffer 3 % tandbeskyttende ingredienser I mange år indeholdt tyggegummi naturgummi, der var aftappet fra gummitræet. Men da behovet for gummi også til andre formål er blevet større, fremstiller man nu gummiet fra råolie. Man bruger carbonhydriderne. De består af lange 152

153 CAFE KOSMOS kyler. I de fleste elastiske stoffer skyl - des elasticiteten, at længden af bindingerne mellem atomerne æn - dres. Hvis man trækker i en carbonkæde, strækkes den, fordi vink lerne mellem carbon-atomerne mind skes lidt. I gummi er der også bindinger mellem carbonkæderne, og disse bindinger løsnes, hvis man trækker i stoffet. Hvis man holder en elastik op mod læberne, og derefter trækker i elastikken, kan man tydeligt mærke, at den bliver varmere. Den energi, der var bundet i den normale struktur, frigives som varme, når elastikken strækkes. BRUGT TYGGEGUMMI Med tiden vil tyggegummi blive hårdt, selv uden at det tygges. Det sker, når luftens oxygen angriber dobbeltbindingerne og omdanner dem til enkeltbindinger. For at det ikke skal ske for hurtigt, tilsætter man antioxidanter til tyggegummiet. Antioxidanterne optager luf - tens oxygen. Der er mange forskellige slags antioxidanter i tygge - gummi. Et af dem er C-vitamin. Under tygning opløses antioxidanterne i spyttet, og tyggegummiet bliver mere og mere hårdt, fordi dobbeltbindingerne efterhånden omdannes til enkeltbindinger. GRISERI PÅ FORTOVET Tyggegummi klæber specielt godt til asfalt, fordi asfalt og gummiet i tyggegummi indeholder samme type stof, carbonhydrider. Når tyggegummi spyttes ud på fortovet, klistrer det fast, og det er svært at fjerne. Klatterne fjernes bedst ved at fryse dem med tøris ved 80 C. I frossen tilstand kan de skrabes af. De sidste rester opløses med rensebenzin. Hvis du taber tyggegummi på tøjet eller på et gulvtæppe, så læg straks en isterning på tyggegummiet. Det stivner og kan forsigtigt trækkes af. Rundt om Storkespringvandet på Amagertorv i København er der ca tyggegummiklatter pr. kva - dratmeter. Københavns Kommune bruger omkring kr. hvert år på at fjerne tyggegummi omkring Storkespringvandet. I Irland overvejer politikerne at lægge skat på tyggegummi for at få penge til at fjerne det fra fortovene. Storbyen Singapore i Malaysia er berømt for at være en meget ren 153 by. Derfor blev myndighederne så trætte af tyggegummirester på fortove og gader, at folk fra 1992 til 2004 blev straffet hårdt for at spytte tyggegummi ud på gaden. Hvis man smuglede en pakke tyg - gegummi ind i landet, kostede det et års fængsel. Efter udenlandsk pres blev reg ler - ne så lempet noget, men selv i dag må man kun tygge tyggegummi i Singapore, hvis ens læge har givet tilladelse til det. Tyggegummiet kan være nikotintyggegummi til afvænning af rygere. Det kan indeholde medicin, der hjælper mod hovedpine, allergi eller køresyge. Tyggegummi kan kun købes på apotekerne, og apotekeren skal have køberens navn og pasnummer. TYGGEGUMMI BESKYTTER TÆNDERNE Når man har spist mad, der indeholder kulhydrater, omdannes rester af dem i mundhulen til syrer. De bevirker, at ph-værdien på tænderne falder. Syrerne trækker vigtige mineraler ud af tænderne, så man lettere får huller. For at modvirke det, har spyttet en vigtig funktion. Spyttet fortynder, neutraliserer og skyller syrerne væk fra tænderne. Dermed mindskes risiko - en for huller i tænderne. En normal voksen udskiller om kring en halv liter spyt om dagen. Det kan ske meget langsomt (0,3 ml pr. minut), men når man begynder at tygge, øges mængden af spyt til omkring 5 ml pr. minut. Det er mere end det tidobbelte. Hvis man derfor ikke har mulighed for at børste tænderne efter et måltid, er det i stedet godt at tygge et sukkerfrit tyggegummi.

154 DET VED DU NU OM MADENS KEMI KEMISKE STOFFER I MADEN DRIKKEVARER Komælk indeholder ofte 90 % vand og 3-4 % fedt. Ved pasteurisering opvarmes mælk i kort tid til 75 C, så bakterier slås ihjel. Ved homogenisering af mælk omdannes store fedtkugler til mindre. Alkoholen ethanol, C 2 H 5 OH, dannes ved gæring af sukker. En dobbeltharpun bruges, når man skriver en kemisk ligevægt. PRODUKTION AF FØDEVARER Antioxidanter er stoffer, der hindrer madvarer i at reagere med luftens oxygen. Bagepulver spaltes ved høj temperatur og frigiver luft og vanddamp. Positivlisten er en fortegnelse over stoffer, der må tilsættes mad. Natron, natriumhydrogen - carbonat, NaHCO 3, er det mest almindelige bagepulver. Kulhydrater kan opdeles i tre grupper: monosaccharider, disaccharider og polysaccharider. Tilsætningsstofferne har alle et E-nummer. SUND MAD FARLIG MAD Natron spaltes således: 2 NaHCO 3 Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O. Monosacchariderne har formlen C 6 H 12 O 6. Almindeligt hvidt sukker er et disaccharid, der hedder rørsukker. Æggehvidestoffer er et gammelt ord for proteiner. Proteinerne er opbygget af aminosyrer. Fedtstoffer indeholder forskellige fedtsyrer. Stearinsyre, C 17 H 35 COOH, er en meget kendt fedtsyre. Calcium-ioner, Ca 2+, bruges til opbygning af skelettet og tænderne. Natrium-ioner, Na +, er vigtige for de elektriske signaler i nerverne. Jern-ioner, Fe 2+, er en vigtig del af blodet. Enzymer er stoffer, der styrer kemiske reaktioner i kroppen. Vitaminer kan deles i vand - opløselige og fedtopløselige. Mangel på D-vitamin giver 154 ringere optagelse af calcium, så man får svagere knogler og dårlige tænder. Ved konservering slås mikro - organismer ihjel, eller deres formering hæmmes. Energiindholdet i fedt er højt, 39 kj pr. gram.

155 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? Hvad hedder sukkeret i vindruer? Hvad betyder forstavelserne mono, di og poly? Proteiner har også et ældre dansk navn. Hvilket? Hvad er et E-nummer? Hvad sker der ved en pasteurisering? Hvilke stoffer dannes ved gæring? FORSTÅR DU? Kartofler er hvide. Hvorfor bliver pomfritter gule eller brune? Hvordan virker gær i en dej? Hvordan virker et bagepulver? Hvorfor er calcium-ioner, Ca 2+, vigtige i kosten? Hvordan virker konserveringsmidler? UDFORDRING Søg på internettet for at finde forskellen mellem en sportsdrik og en energidrik. Søg på internettet for at finde ud af, hvordan man fremstiller flødekarameller. Undersøg deklarationen på forskellige margariner. Er der farvestoffer i? Er der antioxidanter i? Hvor stort er energiindholdet? 155

156 KAPITEL 8 Kemi,

157 menneske og samfund KEMI FØR OG NU REN LUFT - RENT VAND FORBRUG OG GENBRUG FRONTLINJEKEMI I DANMARK CAFE KOSMOS: GULDMEDALJERNE, DER FORSVANDT PÅ BLEGDAMSVEJ At udvise omtanke ved brug af naturen er blevet et vigtigt emne. For det er menneskets virksomhed, der skader dyr og planter. Og det er efterhånden blevet klart for alle, at vi også skader vores egne levevilkår. Derfor vil der bl.a. være brug for dygtige kemikere til at skabe en bedre levevis. Og politikerne må have mod til at lovgive, så vi ikke ender med en global katastrofe, fx en fødevarekrise, en energikrise eller en forureningskrise. Hvad er sur regn? Hvad er iltsvind? Er der mad nok i verden? Hvad er en bæredygtig udvikling? Hvad er biobrændsel? 157

158 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND Kemi før og nu For 2500 år siden mente den græske filosof Thales, at alt stof kom af vand. Vand var således den tids grundstof, og der var kun ét. En anden filosof mente, at alt kom af luft. Dengang kunne man ikke udføre forsøg, der kunne afgøre sagen. Det kunne man først mere end 2000 år senere. Verdens første grundstofsystem: De fire elementer. Skaberen af det moderne periodiske system Dimitri Ivanovic Mendelejev, russisk kemiker ( ). Mendelejev opstillede i 1869 det første periodiske system med de dengang 64 kendte grundstoffer. Grundstof nr. 101, der blev fundet i 1955, har fået navnet mendelevium efter Mendelejev. Ideen om grundstoffer For ca år siden opstillede den græske filosof Demokrit en atomteori. Han mente, at alt stof var opbygget af nogle mindste dele, som kan kaldte atomer. Det mente den græske filosof Aristoteles ikke. Han hævdede, at alt stof var sammensat af fire elementer: jord, vand, ild og luft. Der var således fire grundstoffer. Den teori holdt i over 2000 år. Det har siden vist sig, at Demokrit havde ret, og Ari sto - teles teori var forkert. Først englænderen John Dalton ( ) gav os den klare definition på et grundstof: Et grundstof er et stof, der ikke består af andre stoffer. I 1869 kendte man kun 64 grundstoffer, fx var ædelgasserne endnu ikke opdaget. Det år offentliggjorde den russiske kemiker Dimitri Mendelejev et skema over grundstofferne. Mendelejev opstillede grundstofferne efter stigende atommasse i vandrette rækker, som han kaldte perioder. Grundstoffer med fælles egenskaber blev anbragt i søjler lige over hinanden. Da grundstofferne var anbragt, kunne Mendelejev se, at der var tre tomme pladser, dvs. plads til tre endnu ukendte grundstoffer. De blev fundet senere, og det viste tydeligt, at Mendelejevs system var godt. Det blev derfor model for det moderne periodiske system. Alle grundstoffer, der siden er fundet, passer fint ind i systemet. Et kemisk forsøg med stor betydning I 1828 opdagede den tyske kemiker Friedrich Wöhler noget opsigtsvækkende. Wöhler havde fremstillet urinstof i sit laboratorium. Det var et stof, som man kun kendte fra levende væsner, men Wöhler havde som den første skabt et organisk stof af uorganiske stoffer, dvs. af stoffer fremstillet af døde ting, som fx sten. Efter sit forsøg skrev Wöhler til en ven: Jeg kan fortælle 158

159 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND Dem, at jeg kan lave urinstof uden brug af nyrer, helt uden brug af et levende væsen, det være sig et menneske eller en hund. Først mange år efter var der udført så mange forsøg og fremstillet så mange forskellige organiske stoffer, at ideen, om at nogle stoffer indeholder en særlig livskraft, forsvandt. Det betød, at ingen stoffer var vigtigere end andre. Det moderne periodiske system I det moderne periodiske system er grundstofferne sat i rækkefølge efter deres atomnummer. Hydrogen er nr. 1, helium er nr. 2, osv. Grundstofferne er også opstillet efter elektronfordelingen i atomerne, for et atoms kemiske egenskaber afhænger af elektronernes fordeling i elektronskallerne. Derfor kan et grundstofs placering i det periodiske system fortælle noget om grundstoffets egenskaber. Placeringen bruges til at finde egenskaberne af grundstoffer, som man ikke har set, ud fra egenskaberne af grundstoffer, som man kender. Det periodiske system kan derfor bruges til at forudsige, hvordan forskellige grundstoffer vil reagere med hinanden. Friedrich Wöhler, tysk kemiker ( ). Kendt som fader til den organiske kemi, fordi han som den første kunne vise, at ingen stoffer indeholder en særlig livskraft. Metaller og ikke-metaller. Til venstre i det periodiske system står metallerne, og til højre findes ikke-metallerne. De to grupper af grundstoffer er adskilt af trappelinjen. Halvmetaller. Grundstofferne omkring trappelinjen kaldes halvmetaller, fordi de har egenskaber fra både metallerne og ikke-metallerne. Det gælder fx silicium. Perioder. De vandrette rækker kaldes perioder. Første periode indeholder kun hydrogen og helium. I alt er der syv perioder. Alle grundstoffer i en periode har samme antal elektronskaller. Grundstof nr. 11, natrium, står i tredje periode. Et natrium-atom har tre elektronskaller. Der er to elektroner i første skal, otte i anden og en i tredje skal. I 2. til 7. periode ændrer grundstofferne egenskaber hen gennem perioden, fx er de første grundstoffer metaller, mens de sidste er ikke-metaller. Hovedgrupper: I det periodiske system er der otte lodrette søjler, der kaldes hovedgrupper. Der er yderligere ti lodrette søj- 159

160 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND ler. De kaldes undergrupper. Grundstof ferne i en hovedgruppe har mange ens egenskaber. Det er fordi, alle grundstoffer i en bestemt hovedgruppe har samme antal elektroner i yderste skal. Ædelgasreglen Ioner med samme elektronfordeling som en ædelgas er særlig stabile. Opbygning af molekyler Molekyler er opbygget, så atomerne i deres yderste skal får netop samme antal elektroner, to eller otte, som en ædelgas. Atomer bliver nemlig særlig stabile, når de har samme elektronfordeling som en ædelgas. Denne erfaring kaldes ædelgasreglen. Alkalimetallerne. I 1. hovedgruppe findes øverst hydrogen, og nedenunder ses metallerne lithium, natrium, kalium, rubidium, caesium og francium. Disse metaller kaldes alkalimetallerne. De har ligesom hydrogen alle en elektron i yderste elektronskal. Metal-atomerne har svært ved at holde fast på den yderste elektron, og ved kontakt med et andet atom mister de let elektronen til dette atom. Derfor har disse metaller mange fælles egenskaber, fx er de meget reaktive. De skal opbevares under petroleum, for ellers vil de reagere med luft og fugtighed i luften. De er alle bløde og kan skæres med en kniv. Halogenerne. I 7. hovedgruppe findes ikke-metallerne fluor, chlor, brom og iod. De har alle syv elektroner i yderste skal. Derfor er de meget reaktive stoffer. De vil meget gerne optage en elektron fra et andet atom, så de får otte elektroner i yderste skal. Hvis fx fluor kommer i kontakt med vand, sker der nærmest en eksplosion. Ved stuetemperatur er fluor og chlor luftarter, brom er en væske, og iod er et fast stof. Det viser, at smeltepunktet stiger ned gennem hovedgruppen. Ædelgasserne. I 8. hovedgruppe findes grundstofferne helium, neon, argon, krypton, xenon og radon. Helium har to elektroner i yderste skal, mens resten af ædelgasserne har otte elektroner i yderste skal. For alle ædelgasserne er yderste skal fyldt helt op med elektroner. Derfor kan atomerne ikke danne bindinger med andre atomer. Ædelgassernes molekyler er derfor en-atomige. Kopiark 8.1, 8.2, 8.3 og 8.4 Kemisk binding i molekyler En kemisk binding i et molekyle består af nogle elektroner, der holder atomkernerne sammen. Elektronerne i en kemisk binding deles på en sådan måde, at hvert atom får en fyldt yderste skal. 160

161 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND EKSPERIMENT Oxygen og iod Bland ca. 50 ml koncentreret hydrogenperoxid, H 2 O 2, med 5-10 ml sulfosæbe i et bægerglas. Hæld det i et højt cylinderglas, og stil det på en avis. Hæld ca. 10 ml ca. 10 % kalium-iodid, KI, ned i cylinderglasset. Vent lidt. Der stiger skum op i og ud over kanten af glasset. Tænd en træpind, og stik den ind i skummet. Den slukkes ikke, men flammer op inde i skummet. I forsøget spaltes hydrogenperoxid til vand og oxygen: 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2. Kalium-iodid virker som katalysator. En kemisk binding kan skrives som bare en streg. Da der skal to elektroner til en kemisk binding, bliver stregformlen for hydrogenmolekylet H-H. Halogenernes molekyler. Alle halogenernes molekyler er to-atomige, fx F 2, Cl 2, Br 2 og I 2. Når to halogen-atomer skal danne et molekyle, deles de to atomer om to elektroner, en fra hvert atom. På denne måde får atomerne ædelgasreglen opfyldt. Ædelgasreglen siger: Atomer med samme elektronfordeling som en ædelgas er særlig stabile. Oxygenmolekylet: Oxygenmolekylet, O 2, indeholder to atomer. Hvert oxygen-atom har seks elektroner i yderste skal. Hvert oxygen-atom må derfor give to elektroner til bindingen, for at hvert atom kan siges at have otte elektroner omkring sig. Hvert oxygen-atom har derfor samme elektronfordeling som neon. Når hvert oxygen-atom bidrager med to elektroner til den kemiske binding, er der fire elektroner i bindingen. En sådan binding kaldes en dobbeltbinding. Stregformlen for oxygenmolekylet skrives som O=O. Nitrogenmolekylet. Nitrogen-atomerne har kun fem elektroner i yderste skal. Hvert nitrogen-atom må derfor afgive tre elektroner til bindingen. Stregformlen for nitrogenmolekylet skrives som N N. Nyttige oplysninger Metallerne står til venstre i det periodiske system. Ikke-metallerne står til højre i det periodiske system. Perioderne er de vandrette rækker i det periodiske system. Der er syv perioder. I en periode har alle grundstoffer samme antal elektronskaller. Hovedgrupperne er grundstofferne i otte lodrette søjler i det periodiske system. I en hovedgruppe har alle grundstoffer samme antal elektroner i yderste skal. Alkalimetallerne er fællesnavnet for metallerne i 1. hovedgruppe. Halogenerne er fællesnavnet for grundstofferne i 7. hovedgruppe. Ædelgasserne er fællesnavnet for grundstofferne i 8. hovedgruppe. En kemisk enkeltbinding består af to elektroner, et elektronpar. En kemisk dobbeltbinding består af fire elektroner, to elektronpar. 161

162 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND Ren luft rent vand Luftforureningen er blevet mindre i løbet af de sidste 20 år. Alligevel er hver femte dansker udsat for en uacceptabel luftkvalitet. Vores drikkevand hentes dybt nede i jorden, fra grundvandet. Når regnvandet siver ned gennem jordlagene, filtreres partikler, snavs og bakterier fra. Drikkevandet i Danmark er derfor normalt meget rent. Men kan vi blive ved med at have så godt drikkevand? Partikelforurening i luften Der er støvpartikler i luften. Støvpartiklerne kommer fra vulkaner og sandstorme, men især fra biler og industri. Lastbiler udsender sodpartikler, der er uforbrændte rester af brændstoffet, dieselolie. De store partikler falder hurtigt ned på jorden. De små partikler kan hvirvle rundt i luften i længere tid. Man ved ikke præcist, hvor meget helbredet tager skade af luftforureningen, specielt af partikelforureningen. Nogle forskere er for Danmark kommet frem til følgende cirkatal: Saharas sand falder over Danmark Kraftige vinde er i stand til at løfte tusinder af ton jord, støv og sand op i flere kilometers højde, hvor vinden kan flytte det langt væk. Der er flere gange faldet sand fra Sahara i Danmark, fx i Det sker i forbindelse med regnvejr eller snefald. Saharas sand er gult og meget finkornet, nærmest som støv dødsfald (kræft, hjerte- og karsygdomme) tilfælde af kronisk bronkitis astma-anfald. Det er især de bittesmå sodpartikler, der menes at være farlige for helbredet. Partiklerne er så små, at de er i nanostørrelse. De kan trænge gennem lungevæggen og komme ind i blod - årerne, hvor blodet fører partiklerne ud i hele kroppen. Luftforureningen i Danmark kommer ikke kun fra kilder i Danmark. En stor del bæres hertil fra bl.a. tyske og hollandske industriområder. Partiklerne kommer bl.a. fra dieselbiler og fra brændeovne. Derfor skal lastbiler have et filter, der kan fange partiklerne. Man må også kun sælge brændeovne, der har en høj forbrændingstemperatur. Ved en højere temperatur brænder også mindre partikler. Kopiark 8.5 Svovlforurening i luften I kul og olie findes stoffer, der indeholder grundstoffet svovl. Ved forbrænding af kul og olie brænder svovlet til svovldi oxid, 162

163 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND SO 2, ved reaktionen: S + O 2 SO 2. Alle kender lugten af SO 2. Det er den lidt stikkende lugt, der kommer, når man tænder en tændstik. Når svovldioxid, SO 2, kommer i kontakt med luftens oxygen og vanddamp, dannes der svovlsyre, H 2 SO 4. Reaktionen kan skrives: 2 H 2 O + 2 SO 2 + O 2 2 H 2 SO 4. Når man indånder SO 2, dannes der svovlsyre på lungernes fugtige inderside. Følgerne er hoste og vejrtrækningsproblemer. Kopiark 8.6 Sur regn en kemisk succeshistorie Regnvand har ikke ph=7. Selv helt rent regnvand er ikke neutralt. Vandet er lidt surt. Det skyldes indholdet af CO 2 i luften. Noget CO 2 opløses i regnvand, så der dannes lidt kulsyre, H 2 CO 3. ph-værdien af helt rent vand, der er i kontakt med luften, er derfor 5,6. Det SO 2, der ender i luften, danner svovlsyre. Men der dannes ikke kun SO 2 ved forbrænding af kul og olie. Der dannes Svovlforurening Svovludledningen fra kun 15 af verdens største containerskibe svarer til udledningen fra hele verdens bilpark på omkring 750 millioner biler. De store skibe benytter ofte brændstoffet brændselsolie. Det er noget af det, der er tilbage fra råolien, når man har fjernet bl.a. benzin og dieselolie. Se side 125. På raffinaderierne fjernes svovl fra benzin og diesel, men svovlindholdet i skibenes brændstof kan alligevel være ca. 4,5 %. Og der er ikke krav om at skibene skal opfange det udledte svovldioxid. Det skal man på land, fx på kraftværker, hvor man også må bruge denne olie. Skibene er ikke underlagt national lovgivning, og det gør det svært for et enkelt land at lovgive på dette område. 163

164 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND Afbrænding af svovl giver sur regn I kul, dieselolie og benzin er der lidt svovl. Når det brænder, dannes luftarten svovldioxid, SO 2. Fyld lidt vand i bunden af et cylinderglas. Dryp et par dråber BTB-indikator i. Vandet farves grønt, for BTB-indikatoren er grøn i en neutral opløsning. EKSPERIMENT Læg lidt svovlpulver på en forbrændingsske. Antænd svovlet og sænk det brændende svovl ned i cylinderglasset. Brug en glasplade som låg. Der kommer hvid røg i glasset. Tag skeen op, når ilden er gået ud. Ryst vandet i glasset frem og tilbage, så svovldioxidet opløses. Herved dannes en syre. Den får ph-værdien til at falde, så indikatoren skifter farve til gul. Mål evt. ph-værdien af væsken. Nyttige oplysninger Lastbiler og store skibe udsender sodpartikler, der er uforbrændte rester af brændstoffet, brændselsolie. Ved forbrænding af svovl dannes svovl di - oxid, SO 2, ved reaktionen: S + O 2 SO 2. Helt rent regnvand har en ph-værdi på lidt under 6. Sur regn indeholder lidt svovlsyre og salpetersyre. Regnen kan have en ph-værdi under 5. Iltsvind får alt liv i vandet til at dø. Årsagen er for meget nitrat og phosphat i vandet. Nitratbomben. Nitratindholdet i grundvandet vil stige de kommende år. Det kaldes nitratbomben. også carbondioxid, CO 2, og nitrogen-oxider, NO X -er. Nitro - gen-oxider danner også syre. Ved kontakt med vand dannes forskellige former for nitro genholdige syrer, fx HNO 3. Når det regner, vil der ud over kulsyre også være lidt svovlsyre og salpetersyre i vandet. Det kan derfor have en ph-værdi under 5. Man kalder det for sur regn. Den lave ph-værdi i regnen ødelægger mange planter. Søer og vandløb bliver mere sure, og det ødelægger livsvilkårene for dyr og planter. Flere steder i verden ser man store områder med skovdød. Træerne trives dårligt, eller de går ud. Det er dog muligt at begrænse den sure regn ved rensning af røg. På side 168 og 169 er beskrevet, hvordan man meget effektivt har fået mindsket mængden af den sure regn. I Danmark var udslippet af syredannende stoffer størst om - kring I 1990 var det halveret, og i 2008 var det faldet til kun en tiendedel. Kopiark 8.7, 8.8 og

165 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND Vandforurening og iltsvind Hvis en kunstgødning er letopløselig, opløses den let af regnvand. Noget optages af planterne, resten løber gennem jorden og ender i grøfter, åer, søer og fjorde. Nitrat og phosphat i vandet vil få vandplanter, specielt alger, til at vokse uhæmmet, så der dannes store, grønne områder. Her kan sollyset ikke nå ned til bundplanterne. De dør, og da alger kun lever i kort tid, dannes der hurtigt store områder med døde alger. De rådner og bruger herved det oxygen, der er opløst i vandet. Herved dræbes alt liv i vandet, fx alle fisk. Denne tilstand kaldes ilt - svind. I meget varme somre i Danmark er der områder ved kysterne og specielt i fjordene, hvor alt liv dør. Det er ikke kun kunstgødning, der er årsag til iltsvind. Nitrater og phosphater kommer også fra gylle og fra byernes spildevand, fx sulfosæbe og afføring. Nitratbomben Noget nitrat, NO 3, føres med regnvandet ned til grundvandet. Når vi pumper vand op til drikkevand, indeholder det nitrat. Det er meget uheldigt, for i kroppen omdannes nitrat til nitrit, NO 2. Det mindsker transporten af oxygen rundt i kroppen. Det er specielt farligt for spædbørn, som får flaske med modermælkserstatning, der opløses i vand. Børnene kan komme til at mangle så meget oxygen i blodet, at de kan blive blå i ansigtet. Endelig kan nitrit også danne kræftfremkaldende stoffer i maven. Mængden af nitrat i drikkevand må ikke overstige 50 mg pr. liter drikkevand. Ved mange drikkevandsboringer er indholdet højere, og man må stoppe med at hente drikkevand derfra. Evt. kan man fortynde vandet med vand fra andre boringer med mindre nitratindhold, så de 50 mg ikke overskrides. Flere steder i landet er regnvandet omkring 60 år om at nå ned til grundvandet. Disse steder drikker man det regnvand, der faldt for 60 år siden. I løbet af de sidste 60 år har man brugt mere og mere gødning. Derfor vil indholdet af nitrat stige i grundvandet. Ingen ved, hvor meget og hvor hurtigt indholdet af nitrat i vores drikkevand vil stige. Man kalder denne udvikling for nitratbomben. Kopiark 8.10 Algeforekomster omkring Danmark Hvis der er nitrat, NO 3, og phosphat, PO 3 4, i vandet, vil der dannes mange alger. Det giver iltsvind i vandet. Iltsvindet kan dræbe dyr og fisk i vandet. Gødning Nitrat NO 3 Grundvand Drikkevand Gylle Nitrat NO 3 165

166 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND Forbrug og genbrug Hvert år stiger antallet af mennesker på Jorden med ca. 100 millioner. Det betyder, at der i fremtiden vil blive endnu mere mangel på mad, og mange kommer til sulte. Kemi kan hjælpe i kampen mod sulten, men fremtiden kan ikke reddes med kemi alene. Vi må alle ændre vores måde at leve på. Vi kan ikke forbruge så meget mere, og vi må blive bedre til genbrug. Antallet af mennesker på Jorden vokser, men jordkloden vokser ikke. Hvor går grænsen for, hvor mange mennesker vi kan være? For på Jorden er der en endelig mængde resurser. Olien vil snart slippe op. Kan vi blive ved med at producere mad til så mange mennesker? Manglen på mad Hvert syvende menneske går sulten i seng. Omkring en milliard mennesker sulter eller er udsat for hungersnød. Yderligere to milliarder lider af fejl- og underernæring. Der mangler mad i verden. I syv ud af de seneste otte år ( ) er der er blevet spist mere mad, end der er blevet produceret. Ris- og kornlagrene er blevet brugt, så der ikke er meget tilbage til dårlige tider. Derfor er prisen på fødevarer steget, og det især for de tre vigtigste afgrøder for den fattigste del af verden, nemlig hvede, majs og ris. I løbet af et år ( ) steg kornprisen med 88 %. Langt størstedelen af stigningen i kornprisen skyldtes de højere oliepriser. Der er flere årsager til fødevarekrisen, bl.a.: De stigende oliepriser. Landbrugsmaskinerne bruger olie og benzin. Og der bruges energi for at lave gødning og pesticider, dvs. stoffer, der bekæmper skadedyr, som ødelægger afgrøderne. Klimaforandringer. Tørke og oversvømmelser har allerede mindsket høsten i flere dele af verden. Biobrændsel. Fødevarer er lavet om til brændstof. På grund af de stigende benzinpriser fremstiller man nu biobrændsel, dvs. sprit (ethanol) af planter som korn og majs, der ellers bruges til mad. Gødning giver mad I Afrika er befolkningstallet mere end fordoblet de sidste 50 år, men produktionen af fødevarer er ikke steget. Høstud byt - tet pr. hektar har i Afrika været uændret de sidste 50 år, mens 166

167 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND det alle andre steder i verden er blevet tre til fire gange større. Nogle steder, som fx i Kina, er det blevet fem til seks gange større. Forklaringen er enkel. Den hedder brug af gødning. Det økologiske fodspor Vi forbruger energi, mad, transport, service, tøj, materialer osv., og med forbruget følger en mængde affald. Forbrug har miljømæssige konsekvenser, og det kan måles ved det såkaldte økologiske fodspor. Det kan beregnes for en enkelt person, en familie eller for et land. Et forbrug af en bestemt størrelse kræver et vist areal på land eller i havet. Det økologiske fodspor er størrelsen af det areal, der er nødvendigt, for at naturen kan levere vores forbrug, dvs. hvor meget produktivt landareal der skal til, for at det kan skabe energi og mad m.m. En dansker har et økologisk fodspor på m 2. Det svarer til ca. 70 parcelhusgrunde. Det areal vil kunne forsyne én person med den mængde energi, mad, tøj, materialer m.m., som personen bruger i dag. Danskerne har et stort forbrug. Der er dog store forskelle i verden. Den typiske amerikaner har et økologisk fodspor på næsten m 2. I Afrika er det nede på 5000 m 2. Det svarer til ca. fem danske parcelhusgrunde. Gennemsnittet for verden ligger lidt over m 2. Dette tal er større, end det areal der er til rådighed på Jorden. Vi forbruger altså mere, end naturen kan yde. Hvis alle indbyggere på Jorden skulle leve som danskerne, ville der være brug for tre jordkloder. Bæredygtig udvikling og genbrug Ved en bæredygtig udvikling forstår man, at vi ikke bruger Jordens resurser hurtigere, end naturen er i stand til at genskabe dem. Vi må heller ikke skabe mere affald, end naturen kan optage i sine kredsløb. Vi skal derfor genbruge meget mere affald, fx plast. Plast, der smides ud som affald, er tabt som råstof. Genbrug af plast Der er to hovedtyper af plast, termoplast og hærdeplast. Termoplast og hærdeplast I termoplast er der svage kemiske bindinger mellem carbonkæderne. Ved opvarmning kan de glide mellem hinanden. I hærdeplast er der derimod stærke kemiske bindinger mellem carbonkæderne. De kan ikke glide mellem hinanden. 167

168 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND Fordelene ved genbrug af papir Næsten 80 % af al plast er termoplast, fx er mange køkkenartikler lavet af termoplast. Termoplast bliver blød ved opvarmning, og kan presses i en ny form. Ved afkøling holdes den nye form. Termoplast kan derfor bruges igen og igen. Kasserede produkter kan genanvendes. Hærdeplast kan ikke omsmeltes og egner sig derfor ikke til genbrug. Til gengæld er produkter af hærdeplast meget hårde, og de kan i mange sammenhænge bruges i stedet for metaller. Fx er vindmøllevinger lavet af hærdeplast. Det er dog muligt at genbruge hærdeplast. Det males til et fint pulver og bruges opblandet i andre plasttyper til fx affaldssække. Kopiark 8.11 Genbrug af papir Danmark er et af verdens mest papirforbrugende lande. Hver dansker bruger i gennemsnit 271 kg papir om året. Det er bety - deligt mere, end der bruges i vore nabolande. Kun i Belgien er forbruget større. Pap og papir kan genbruges. Det kan betale sig, for ved fremstilling af genbrugspapir kræves færre resurser end ved at fremstille nyt papir af træ. Energi- og vandforbrug er meget mindre. Det er muligt at genanvende papir op til fem gange. Her - efter er papirfibrene slidt op. Aviser, breve, brochurer, fotokopier, ugeblade og meget mere kan bruges til genbrugspapir. Det er kun rent og tørt papir, som kan genbruges. Papir med madaffald, plast eller lignende ødelægger muligheden for genbrug. Derfor kan fx mælkekartoner ikke genbruges. De skal brændes. Det er lovpligtigt for virksomheder at indsamle pap og papir til genbrug. Målet er, at 75 % af pap- og papiraffaldet fra virksomhederne bliver genbrugt. Genbrug af røg Mange kraftværker bruger kul som energikilde. Men der er svovl i kul, og ved forbrændingen af kullene brænder svovlet til svovldioxid, SO 2. Det skal fjernes fra røgen, for ellers vil der dannes svovlsyre i luften. Ved forbrændingen af kullene dannes også aske, såkaldt flyveaske. 168

169 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND EKSPERIMENT Genbrug af sølv På hospitalerne tages der stadig mange røntgenfotos. Det sorte på et røntgenfoto er sølvpulver. Det er for dyrt til at blive smidt ud. Det udvindes og genbruges. Sølvet opløses med fortyndet salpetersyre. Herved dannes en opløsning af sølvnitrat, AgNO 3. Opstil forsøget, som tegningen viser. Hæld en ca. 1-2 % sølvnitratopløsning i bægerglasset. Elektroderne skal være to helt rene grafitstænger. Efter et stykke tid vokser der sølvkrystaller ud fra overfladen på den negative elektrode. Der sker følgende reaktion: Ag + + en elektron Ag Ved den positive elektrode bobler der oxygen op. Røgen sendes først gennem en beholder med et støvfilter. Her fjernes mere end 99,9 % af flyveasken fra røgen. Asken bliver tiltrukket af nogle elektrisk ladede metalplader. Asken sætter sig på pladerne, der rystes, så asken falder ned i bunden af beholderen. Røgen kan også sendes gennem hundredvis af stofposer. Med faste intervaller rystes poserne, så asken falder ned i bunden af filtret. Næsten al flyveasken genbruges ved fremstilling af cement og beton. Når flyveasken er fjernet, ledes røgen videre til et afsvovlingsanlæg. Her renses røgen i et vasketårn, hvor den overbruses med vand, hvori der er opløst kalk. Svovldioxidet reagerer med kalken og luften.. Derved dannes calciumsulfat, gips. Reaktionen kan skrives: Nyttige oplysninger Biobrændsel er ethanol fremstillet af planter. Det økologiske fodspor er størrelsen af det areal, der er nødvendigt, for at naturen til stadighed kan levere hele vores forbrug. Termoplast bliver blød ved opvarmning og kan presses i en ny form. Termoplast er god til genbrug. Hærdeplast kan ikke omsmeltes og egner sig derfor ikke til genbrug. At lave genbrugspapir kræver færre resurser end at fremstille nyt papir af træ. 2 SO CaCO 3 + O H 2 O 2 CaSO 4 2 H 2 O + 2 CO 2 Ved rensning af røgen får man så store mængder gips, at det dækker Danmarks forbrug af gipsplader til byggeri. 169

170 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND Emulgatorer fra Danisco Ingredients findes i halvdelen af al is og i hvert fjerde brød, der sælges i verden. Katalysatorer Omkring 60 % af verdens kunstgødning indeholder ammoniak, der er fremstillet ved hjælp af Topsøes katalysatorer. Frontlinjekemi i Danmark Danmark har næsten ingen råstoffer. Derfor må virksomheder i Danmark være bedre til teknologi end virksomheder i andre lande. En bedre teknologi skabes af dygtige forskere. De følgende firmaer er blevet verdens førende netop ved at have forskere, der har udviklet den bedste teknologi inden for deres område. Haldor Topsøe A/S Virksomheden producerer katalysatorer. I dag bruges katalysatorer til 90 % af alle kemiske processer. En katalysator får en proces til at løbe meget hurtigere, dvs. produkterne dannes hurtigere. Katalysatorer bruges bl.a. til at fremstille ammoniak, NH 3. Af det kan man fremstille kunstgødning. Der er omkring 2000 ansatte i virksomheden. I 2004 stiftede virksomheden et nyt firma, Topsøe Fuel Cell. Det bliver det første firma i Danmark, der vil fremstille brændselsceller. De kan erstatte benzin- og dieselmotorer. Man forventer, at de første anlæg kan sælges omkring Brændselscellerne er opbygget af millimetertynde keramikplader, der omdanner brændstoffet til elektricitet eller varme. Brændselscellerne omdanner ca. 60 % af brændstoffet til nyttig energi. Det er meget mere end en dieselmotor kan. Endelig er forureningen fra brændselscellerne ganske lille. 170

171 KAPITEL 8 KEMI, MENNESKE OG SAMFUND Danisco Ingredients A/S Virksomheden er verdens største inden for produktion af emulgatorer til fødevareindustrien. Omkring 25 % af verdens forbrug af emulgatorer kommer fra det danske firma. Der er omkring 7000 ansatte, heraf ca i Danmark. En emulgator kan fastholde små dråber vand i olie eller små dråber olie i vand. De skiller ikke, olien og vandet er jævnt fordelt. I fx margarine holdes vand og fedtstof sammen af en emulgator. Novo Nordisk A/S Virksomheden producerer bl.a. insulin, som bruges af mennesker med sukkersyge. Der er fabrikker i otte lande, og der er mere end ansatte, heraf over i Danmark. Novozymes A/S Virksomheden er en af verdens førende producenter af enzymer. Enzymer virker som katalysatorer. De får biokemiske reaktioner til at løbe hurtigere. Novozymes fremstiller mere end 600 forskellige industrielle enzymer, der bruges til mange forskellige formål, fx i vaskemidler. Der er mere end 4500 ansatte. Pletter af mælk, æg, chokolade, blod eller sved på tøjet kan være svære at fjerne med sæbe, men enzymer klarer det. Nogle sæber til tøjvask er derfor tilsat enzymer. Der er altid flere forskellige enzymer i vaskepulver, for hvert enzym virker kun på nogle bestemte stoffer. Bioethanol. Novozymes og Danisco Novozymes og Danisco har gjort Danmark til det førende land inden for produktion af enzymer til fremstilling af bioethanol. I fremtiden skal det stof erstatte benzin og dieselolie. De danske firmaer fremstiller enzymer, der kan danne ethanol fra stoffer i planter. I dag fremstiller man første generations bioethanol. Det udvindes af fx majs. Anden generations bioethanol skal fremstilles af affaldsprodukter, fx stængler fra majsplanter og sukkerrør. I Danmark skal det fremstilles af halm, dvs. stængler af korn. Ved denne metode fjernes der ikke mad fra verdensmarkedet. Kopiark 8.12, 8.13, 8.14 og 8.15 Når man har sukkersyge (diabetes), danner bugspytkirtlen for lidt eller intet insulin. En del af dem, som har diabetes, skal derfor hyppigt have tilført dette stof. Tidligere anvendtes almindelig sprøjte, kanyle og medicinglas. Novo Nordisk har gjort det nemmere. Med en såkaldt NovoPen, hvor alt udstyr og medicin er samlet i ét, kan også børn selv foretage indsprøjtningen. Den ene ende af pennen presses mod huden. Med et tryk på den anden ende klares indsprøjtningen. I dag arbejder Novo bl.a. på at udvikle nye typer af diabetes-medicin. 171

172 CAFE KOSMOS GULDMEDALJERNE, DER FORSVANDT PÅ BLEGDAMSVEJ Hvert år får nogle dygtige forskere en belønning på mange millioner kroner. Det er Nobelprisen. Den er opkaldt efter den svenske opfinder Alfred Bernhard Nobel ( ). Han tjente en formue på at opfinde og fremstille dynamit og andre sprængstoffer. I hans testamente gav han næsten alle sine penge til en fond, der skal uddele en pris for forskning til nytte og af vigtighed for menneskeheden. Der uddeles Nobelpriser i fysik, kemi, medicin, økonomi, litteratur og desuden en fredspris. KØBENHAVN ET FRISTED I 1933 kom Hitler og nazisterne til magten i Tyskland, og kort efter begyndte de at forfølge jøderne. Mange af dem flygtede til Dan mark. Her arbejdede den danske professor Niels Bohr på Institut for Teoretisk Fysik på Blegdamsvej i København. Bohr inviterede mange jødiske fysikere og kemikere til at forske i København, bl.a. de tyske fysikere, James Franck og Max von Laue, og den ungarske kemiker George de Hevesy. I 1922 havde Hevesy under et tidligere ophold i København opdaget grundstoffet hafnium. Fysikeren James Franck var en meget modig mand, og han talte åbent imod de nye racelove, som nazisterne indførte. I protest tog han sin afsked fra universitetet i Göttingen. I 1934 var han gæsteprofessor i fysik i København. Da han i 1935 skulle flytte til USA, bad han Niels Bohr opbevare den nobelprismedalje, som han i 1925 havde fået i fysik for sine eksperimentelle undersøgelser om elektroner. Denne opdagelse bekræftede Niels Bohrs teori om atomernes opbygning. I 1922 fik den danske fysiker Niels Bohr Nobel pri sen i fysik. Nobelpriserne uddeles hvert år på Alfred Nobels dødsdag, den 10. december. Nobelpriserne bliver uddelt i Stockholm med undtagelse af Nobels fredspris, som uddeles i Norge. Hver nobelpristager får en guldmedalje, et diplom, tilbud om svensk statsborgerskab og en penge - sum på ikke mindre end ti millioner svenske kroner. Guldmedaljen har på den ene side et portræt af Alfred Nobel, og på den anden side står navnet på prismodtageren. Guldmedaljen er 6,6 cm i diameter og vejer omkring 200 g. Den har en værdi på omkring danske kro - ner. Op til 1980 var den af 23 karat guld. 172 Niels Bohr

173 CAFE KOSMOS Tyske soldater marcherer ind i Århus d. 9. april Max von Laue ( ) havde opdaget, hvordan en røntgenstråle, der bliver sendt ind i en krystal, kommer ud i nogle andre retninger. Det viste, at røntgenstråler udbredte sig som en bølge, samt at krystaller var opbygget som et gitter. For denne opdagelse fik Laue i 1914 Nobelprisen i fysik. Nazisterne var også efter fysikeren Einstein, der var jøde. Max von Laue forsvarede åbent Einstein. Tyskeren Carl von Ossietzky, der var modstander af naziregimet i Tysk - land, fik i 1935 Nobels fredspris. Det blev nazisterne meget vrede over, og de forbød herefter alle tyskere at modtage Nobelprisen. De forskere, der tidligere havde fået den, ville få deres guldmedalje konfiskeret. Og man kunne blive dømt til døden for at sende guld ud af Tyskland. Max von Laue havde taget sin guldme - dalje med til København, hvor Niels Bohr opbevarede den. KONGEVAND NARRER NAZISTERNE Da tyskerne besatte Danmark i 1940, blev det farligt for både Franck og Laue, fordi deres navn var indgraveret på deres guldmedaljer. Niels Bohr talte straks med George de Hevesy om, hvad de skulle gøre med guldmedaljerne. Hevesy foreslog, at de gravede dem ned, men det kunne Bohr ikke lide. Herefter foreslog Hevesy, at han kunne opløse guldmedaljerne i kongevand. Det er en blanding af koncentreret saltsyre og koncentreret salpetersyre. Navnet kongevand kommer af, at blandingen er i stand til at opløse metallernes konge, guld. Guld-ato- 173 merne oxideres til guld-ioner, Au 3+, der bindes i en kemisk forbindelse, som holdes opløst i syren. Da tyskerne kom til København, hældte Hevesy kongevand på guldmedaljerne. Kongevandet med det opløste guld blev hældt på en flaske, der blev stillet ind i kemikaliedepotet blandt alle de andre flasker med syrer og baser. Da tyskerne gennemsøgte instituttet, fandt de ikke guldet. I 1943 måtte både Hevesy og Bohr flygte til Sverige. Først da krigen sluttede i 1945 kom de tilbage til København. Hevesy fandt flasken frem og ud vandt guldet af kongevandet. Gul det blev herefter sendt til Stockholm, hvor man af guldpulveret fremstillede to nye guldme - daljer; en til James Franck og en til Max von Laue.

174 DET VED DU NU OM KEMI, MENNESKE OG SAMFUND KEMI FØR OG NU FRONTLINJEKEMI I DANMARK Perioderne er de vandrette rækker i det periodiske system. Der er syv perioder. I en periode har alle grundstoffer samme antal elektronskaller. REN LUFT RENT VAND Ved forbrænding af svovl dannes svovldioxid, SO 2, ved reaktionen: S + O 2 SO 2. Helt rent regnvand har en phværdi på lidt under 6. Sur regn indeholder lidt svovlsyre og salpetersyre. Regnen kan have en ph-værdi på under 5. Iltsvind får alt liv i vandet til at dø. Årsagen er for meget nitrat og phosphat i vandet. Nitratindholdet i grundvandet vil stige de kommende år. Det kaldes nitratbomben. Hovedgrupperne er otte lodrette søjler i det periodiske system. I en hovedgruppe har alle grundstoffer samme antal elektroner i yderste skal. En kemisk enkeltbinding består af et elektronpar. En kemisk dobbeltbinding består af fire elektroner, to elektronpar. FORBRUG OG GENBRUG Biobrændsel er ethanol fremstillet af planter. Det økologiske fodspor er størrelsen af det areal, der er nødvendigt, for at naturen til stadighed kan levere hele vores forbrug af mad og energi. Termoplast bliver blød ved opvarmning og kan presses i en ny form. Termoplast kan genbruges. Hærdeplast kan ikke omsmeltes, og egner sig derfor ikke til genbrug. At lave genbrugspapir kræver færre resurser end at fremstille nyt papir af træ % af al teknisk fremstillet ammoniak i verden er lavet med katalysatorer fra firmaet Haldor Topsøe A/S. Halvdelen af al is og hvert fjerde brød, der sælges i verden, indeholder emulgatorer fra firmaet Danisco Ingredients A/S. Firmaet Novozymes A/S er verdens førende producent af enzymer. Firmaerne Novozymes A/S og Danisco A/S er verdens største inden for produktion af enzymer til fremstilling af bioethanol. Første generations ethanol fremstilles af fx majs. Anden generations ethanol fremstilles af fx halm.

175 PRØV DIG SELV KAN DU HUSKE? FORSTÅR DU? Hvad er sur regn? Hvem skabte det moderne periodiske system? Hvad er fælles for grundstofferne i en periode i det periodiske system? Hvordan er en kemisk binding opbygget? Hvad er halogenerne? Hvordan opstår sur regn? Hvorfor har grundstofferne i en hovedgruppe kemiske egenskaber, der ligner hinanden? Hvad er en dobbeltbinding, og hvad er en tripelbinding? Forklar, hvad nitratbomben er. Hvorfor har selv helt rent regnvand ikke ph = 7? UDFORDRING Firmaet Novo Nordisk A/S fremstiller insulin. Hvad sker der, hvis sukkersyge mennesker ikke får insulin? Hvordan kan man bekæmpe iltsvind i vandet omkring Danmark? Hvorfor er det bedre at fremstille anden generations bioethanol end første generations bioethanol?

176

177 Opsamling Dette kapitel er en hjælp til at skabe overblik over vigtige begreber og sammenhænge fra Kosmos A og B. Siderne kan også være en hjælp til repetitionslæsning inden afgangsprøven. Fysik Kosmos A 178 Kemi Kosmos A 182 Fysik Kosmos B 186 Kemi Kosmos B

178 KOSMOS A KAPITEL 1 START PÅ FYSIK TID Den grundlæggende enhed for tid er sekund, der forkortes s. Enhederne minut, time, døgn, måned og år kan også bruges. I naturvidenskabelige fag som fysik og kemi skal der altid være både et tal og en enhed, når værdien af en størrelse angives. 1 minut = 60 sekunder 1 time = 60 minutter = 3600 sekunder 1 døgn = 24 timer Jorden drejer sig hvert døgn en omgang om sin akse. Samtidig bevæger Jorden sig rundt om Solen. Den tur varer et år. På side 8 findes en tabel med navnene på forskellige tier-potenser, som hyppigt benyttes i forbindelse med enheder. Inden for astronomien er der to længdeenheder: en astronomisk enhed, AU, der er Jordens gennemsnitlige afstand til Solen. et lysår, der er den længde, lyset bevæger sig på et år. 1 AU er ca m eller 150 millioner kilometer. Et lysår er 9, m, dvs. ca gange længere end en astronomisk enhed. TEMPERATUR Temperaturer angives i grader Celsius, C. En blanding af vand og is har temperaturen 0 C. Kogende vand har temperaturen 100 C. Temperaturer kan også angives i kelvin, K. Kelvinskalaen starter ved det absolutte nulpunkt, der er 273 C. Temperaturen 0 C er i kelvinskalaen 273 kelvin (273 K). Der findes ikke temperaturer, som er lavere end temperaturen ved det absolutte nulpunkt, men der er ingen øvre grænse for temperatur. LÆNGDE Sammenhængen mellem kelvin-, celsius- og fahrenheitskalaerne. Fahrenheitskalaen benyttes i mange engelsktalende lande. Længde er en størrelse, der måles i enheden meter. Man kan også angive længder i bl.a. enhederne kilometer, centimeter, millimeter og nanometer. 1 kilometer = 1000 meter 1 meter = 100 centimeter 1 centimeter = 10 millimeter 1 millimeter = nanometer Længder forkortes som: kilometer, km meter, m centimeter, cm millimeter, mm nanometer, nm MASSE K C F Masse angives i enheden kilogram. 1 kilogram = 1000 gram. Enheden kilogram forkortes kg, og gram forkortes g. 1 ton = 1000 kilogram. 178

179 KOSMOS A KAPITEL 2 STOFEGENSKABER TILSTANDSFORMER Alle stoffer kan eksistere i tre tilstandsformer: som fast stof, som væske eller på luftform. Et fast stof bevarer altid sin form. Anbringes et fast stof i en beholder, vil det ikke tage form efter beholderen. En væske, der hældes i en beholder, vil lægge sig på bunden af beholderen og have en vandret overflade. En luftart, der lukkes inde i en beholder, vil fylde den helt ud. Temperaturen af et stof afhænger af molekylernes fart. Molekylerne ligger stille ved det absolutte nulpunkt, 273 C. Molekylerne i de tre tilstandsformer viser, om stoffet er en luftart, en væske eller et fast stof. Som luftart er der langt mellem molekylerne, der bevæger sig tilfældigt. I en væske ligger molekylerne tæt sammen. I et fast stof sidder molekylerne i en regelmæssig struktur, et gitter. Densitet = Masse Rumfang Enheden for densitet er kg/m 3 eller g/ml. Densitet er et moderne navn. Tidligere har denne størrelse heddet vægtfylde, massefylde eller massetæthed. VÆSKER Et stofs overgang fra flydende form til luftform kaldes fordampning. Den højeste temperatur et stof kan have, mens det er på væskeform, kaldes kogepunktet. Det kræver varme, når et stof skal fordampe. Væsker udvider sig normalt ved opvarmning. LUFTARTER FASTE STOFFER Faste stoffer udvider sig ved opvarmning. Den temperatur, hvor et fast stof smelter, dvs. ændrer tilstandsform til væske, kaldes smeltepunktet. Mens et stof smelter, ændrer temperaturen sig ikke. Det kaldes sublimation, når et fast stof omdannes direkte til en luftart. Et stofs densitet er stoffets masse pr. rumfang. Densiteten udregnes som stoffets masse divideret med dets rumfang, dvs. Densiteten af luftarter er mindre end densiteten af væsker og faste stoffer. En liter luft har en masse lidt over et gram. Væsker og faste stoffers densitet er normalt mellem 1000 og gange større. Luftarter udvider sig ved opvarmning. Når luftarter afkøles, vil de omdannes til væske. Man siger, at luftarten fortættes. Skyer består af meget små vanddråber og tit også af små iskrystaller. I den atmosfæriske luft er der normalt lidt vanddamp. Mængden af vanddamp i luften kaldes luftfugtigheden. 179

180 KOSMOS A KAPITEL 3 TRYK OG OPDRIFT TYNGDEKRAFT TRYK I LUFT OG VÆSKER Enheden for kraft er newton, der forkortes N. Alt her på Jorden er påvirket af tyngdekraften, der skyldes Jordens tiltrækning. Tyngdekraftens retning er mod Jordens centrum. Tyngdekraften på et kilogram er ca. 10 newton. Ganger man massen (i kilogram) med ti, får man tyngdekraften (i newton). Tyngdekraften på Månen skyldes Månens tiltrækning. På Månen er tyngdekraften seks gange mindre end på Jorden. Det er fordi, Månen er mindre og lettere end Jorden. Da Armstrong og Aldrin landede på Månen i 1969 oplevede de, at tyngdekraften var meget svagere end på Jorden. Havde de stillet sig på en vægt, ville den have vist omkring en sjettedel af, hvad den viste på Jorden. Trykket ved jordoverfladen er normalt pascal. Målt med en anden enhed er trykket 1 atmosfære. Meteorologer angiver tit tryk i enheden hektopascal. Normalt atmosfæretryk er i denne enhed 1013 hekto - pascal. Trykket ved jordoverfladen skyldes vægten af den luftsøjle, der strækker sig til atmosfærens top. Luftens tryk på en kvadratmeter ved jordoverfladen svarer til, at der over fladen og op til atmosfærens top er luft med massen 10 ton. Trykket i atmosfæren falder, når man bevæger sig op. Trykket i vand stiger 1 atmosfære, når man går 10 meter ned. OPDRIFT Opdriften på en genstand er lige så stor som tyngdekraften på den fortrængte væske- eller luftmængde. Det er opdriften, der får balloner til at svæve, og får skibe til ikke at synke. Varm luft har en lavere densitet end kold luft. Den varme luft i posen fortrænger derfor kold luft. Der kommer en opdrift på posen. TRYK Trykket på en flade er kraften ned på fladen divideret med fladens areal. Kraften på en flade er derfor trykket ganget med fladens areal. Enheden for tryk er newton pr. kvadratmeter, N/m 2, der kaldes pascal og forkortes Pa. 180

181 KOSMOS A KAPITEL 4 ELEKTRICITET ELEKTRISK LADNING Der findes to slags ladning, positiv og negativ. Enheden for ladning er coulomb, der forkortes C. Elektronen har en negativ ladning. Protonen har en positiv ladning. Neutronen er neutral, dvs. uden ladning. Protonens ladning kaldes elementarladningen, der betegnes med e. Der findes ikke ladninger, der er mindre end elementarladningen. Ladninger med ens fortegn frastøder hinanden. Ladninger med modsat fortegn tiltrækker hinanden. ELEKTRISK STRØM OG BATTERIER Et batteri er et lager for ladning. Batterier er normalt sammensat af flere elementer. Et element har en pluspol og en minuspol. Strømstyrken er den ladning, der passerer gennem en ledning pr. sekund. Enheden for strømstyrke er ampere, der skrives A. SPÆNDING OG RESISTANS Ohms lov kan også skrives som Resistans = Spændingsforskel Strømstyrke eller Spændingsforskel = Resistans Strømstyrke ELEKTRISKE KREDSLØB I et elektrisk kredsløb er den samlede resistans af en serieforbindelse lig med summen af de enkelte resistanser. En strøm på en tiendedel ampere gennem kroppen i nogle sekunder er livsfarlig. Sikringer afbryder strømmen, hvis den bliver for kraftig. For at undgå ulykker er der sikringer i alle boliger og i de fleste elektriske apparater. Elektrisk energi måles i kilowatt-timer, kwh. I 2009 koster 1 kwh ca. 2 kr. Effekt er energiomsætning pr. sekund. Størrelsen af en elektrisk energi er effekten ganget med tiden. Elektronerne bevæger sig modsat strømmens retning. Enheden for spændingsforskel er volt, der skrives V. Et batteri har en spændingsforskel mellem plus- og minuspolen. Enheden for resistans (modstand) er ohm, der skrives Ω. Metaller er normalt gode ledere for elektrisk strøm. De har en lille resistans. De fleste andre stoffer er isolatorer. Nogle få stoffer, fx silicium og germanium, er halvledere, dvs. de hverken er gode ledere eller gode isolatorer. Sammenhæng mellem strømstyrke, resistans og spændingsforskel kaldes Ohms lov: Strømstyrke = Spændingsforskel Resistans 181

182 KOSMOS A KAPITEL 5 START PÅ KEMI HVAD ER KEMI Kemi drejer sig om, hvordan stoffer er opbygget. I kemien beskrives, hvordan stofferne udvindes eller fremstilles, og hvad de bruges til. Kemikere har undersøgt og beskrevet mere end 10 millioner stoffer. EGENSKABER FOR KEMISKE STOFFER SPECIELT GLAS Råstoffer kan hentes direkte i naturen. Glas fremstilles ved at opvarme en blanding af bl.a. sand og kalk. Glas har ikke noget smeltepunkt. Ved opvarmning bliver glas mere og mere blødt. Det mest brugte glas til eksperimenter er reagensglasset. Det er lavet af en speciel slags glas, Pyrex, der tåler kraftig opvarmning. SIKKERHED I FYSIK/KEMI-LOKALET Bunsenbrænderen skal stå sikkert. Ræk ikke armen hen over brænderen. Hav ikke langt hår hængende løst i nærheden af brænderen. Husk, at brænderen er varm lang tid efter, den er slukket. Tilsæt pimpsten for at mindske risikoen for stød - kogning i et reagensglas, der opvarmes. Et reagensglas holdes med en træklemme, når man opvarmer en væske. Hold åbningen af reagensglasset ind mod væggen og aldrig hen mod andre personer. Beskyttelsesbriller skal bruges, hvis der er risiko for, at glasudstyr kan sprænge, eller hvis der arbejdes med stoffer, der ved kontakt med øjet kan skade det. Øjenskylleflasken bruges, hvis et stof kommer i øjet. Flasken indeholder en saltvandsopløsning, som kan skylle øjet rent. Brandtæppet bruges, hvis der går ild i tøjet på en person. UDSTYR TIL KEMI 182

183 KOSMOS A KAPITEL 6 STOFFER I HVERDAGEN VAND ER FORUDSÆTNINGEN FOR LIV KRYSTALLER Blodet transporterer oxygen og livsvigtige stoffer fra maden ud til alle kroppens celler. 80 % af blodet er vand, og stofferne, der transporteres af blodet, er opløst i vandet i blodet. Krystaller dannes i en opløsning, når opløsningsmidlet fordamper, eller når en mættet opløsning afkøles. En overmættet opløsning indeholder mere stof end en mættet opløsning, og opløsningen er derfor ustabil. OPLØSELIGHED ADSKILLELSE AF STOFFER Et stof opløses hurtigere, hvis det er findelt, og der omrøres. Ofte hjælper opvarmning også. Når der kan opløses meget af et stof, fx sukker i vand, er det letopløseligt. Et stof er letopløseligt i vand, hvis der kan opløses mere end 1 g stof i 100 ml vand. Når der kun kan opløses ganske lidt af et stof, fx kridt i vand, kaldes stoffet tungtopløseligt. Et stof er tungtopløseligt i vand, hvis der kan opløses mindre end 1 g stof i 100 ml vand. Et stof er uopløseligt, når man slet ikke kan opløse noget af det, fx sand i vand. I en mættet opløsning kan der ikke opløses mere stof. En mættet opløsning kaldes også en koncentreret opløsning. Man får en opslæmning ved at røre faste, uopløselige partikler op i fx vand. Når en opslæmning får lov at stå, sedimenterer det uopløselige stof. Når det faste stof i en opslæmning er sedimenteret, kan man skille det faste stof fra vandet. Ved en dekantering hældes væsken forsigtigt væk, uden at bundfaldet følger med. Man kan fremskynde sedimenteringen ved at centrifugere blandingen. Ved centrifugering synker partiklerne hurtigere. Ved en filtrering kan man fjerne faste stoffer fra en opslæmning. Et opløst stof kan udvindes af en opløsning ved en inddampning, hvor vandet koges væk. I en umættet opløsning kan der opløses mere stof. En umættet opløsning kaldes også en fortyndet opløsning. En opløselighedskurve er en graf, der viser, hvor meget stof der kan opløses ved forskellige temperaturer. De fleste stoffer opløses bedre i varmt end i koldt vand. Opløselighed i vand Opløselighed af forskellige stoffer i 100 ml vand ved stuetemperatur, 20 C. Stof Sukker Kridt Sand Opløselighed 211 g 0,0065 g 0 g 183

184 KOSMOS A KAPITEL 7 GRUNDSTOFFER OG KEMISKE FORBINDELSER ATOMER Atomet er den mindste del af et stof, der kan eksistere alene. Atomet består af en atomkerne med elektroner udenom. Atomkernen indeholder protoner og neutroner. Næsten hele atomets masse findes i atomkernen. Protoner, neutroner og elektroner kaldes for elementarpartikler. Protonerne er positivt ladet. Neutronerne er ikke elektrisk ladet. Elektronerne er negativt ladet. KEMISKE FORBINDELSER OG MOLEKYLER I en kemisk forbindelse er atomer af forskellige grundstoffer bundet til hinanden. Vand er en kemisk forbindelse. Vand har den kemiske formel H 2 O. I vandmolekylet er der tre atomer. To hydrogen-atomer og et oxygen-atom. Et tal inde i en formel fortæller, hvor mange atomer der er af det grundstof, som står lige før tallet. KROMATOGRAFI Ordet kromatografi kommer fra græsk og betyder at skrive med farve. Ved hjælp af kromatografi kan man adskille forskellige molekyler. Ved papirkromatografi skilles en sammensat farve i de farvestoffer, den er lavet af. Papiret med de adskilte farver kaldes et kromatogram. Man ser, at blækprøven er sammensat af farve 1 og farve 2, men ikke af farve 3. GRUNDSTOFFER Der er 115 grundstoffer. I naturen findes 92 grundstoffer. De sidste 23 har forskerne fremstillet i laboratoriet. De kaldes grundstoffer, fordi alle stoffer er opbygget af atomer af grundstoffer og ikke af mindre dele. Uanset hvor vi kigger ud i Universet, finder vi kun disse grundstoffer. Et grundstofs atomnummer er det antal protoner, atomet har i kernen. Grundstof nr. 1 er hydrogen. Grundstof nr. 2 er helium. Det største atom indeholder 115 protoner i atomkernen. Blækprøve Farve 1 Farve 2 Farve 3 184

185 KOSMOS A KAPITEL 8 ILD STOFFER BRÆNDER En forbrænding er en kemisk reaktion mellem et stof og luftarten oxygen. Carbon, C, brænder til luftarten carbondioxid, CO 2. Hydrogen, H 2, brænder til vanddamp, H 2 O. Ved en fuldstændig forbrænding omdannes alt carbon og hydrogen i det brændende stof til carbondioxid og vanddamp. Ved en ufuldstændig forbrænding er der ikke nok oxygen til stede. Der dannes i stedet carbonmonoxid, CO, der også kaldes kulilte. Det er en giftig luftart. TÆNDE ILD Sikkerhedstændstikker kan kun tændes på en strygeflade. ILDEBRAND En brand kan kun opstå, hvis tre betingelser er opfyldt: Der skal være noget brændbart materiale. Der skal være oxygen til stede. Temperaturen være høj nok. Det vises ved den såkaldte brandtrekant. Et reaktionsskema viser, hvilke stoffer der reagerer med hinanden, og hvilke nye stoffer der dannes ved reaktionen. Stoffer, der reagerer med hinanden, kaldes reaktanter. De stoffer, der dannes, kaldes produkter. Et symbolsk reaktionsskema kan skrives på denne måde: reaktanter produkter. Ved en reaktion kan der ikke forsvinde atomer, og der kan ikke komme flere til. Antallet af atomer, der findes før reaktionen, skal også være til stede efter reaktionen. ILD OG FLAMMER Et fast stof bryder i brand, når det er opvarmet til antændelsestemperaturen. Fx bryder papir i brand ved ca. 250 C. En væske bryder i brand, når den er opvarmet til flammepunktet. Branden starter i dampene fra væsken. Væsker med et flammepunkt under 100 C betegnes som brandfarlige. En væske med et flammepunkt mellem 0 og 21 C betegnes som meget brandfarligt, og emballagen skal forsynes med faresymbolet F. En væske med et flammepunkt under 0 C betegnes som yderst brandfarligt, og emballagen skal forsynes med faresymbolet Fx. En brand kan slukkes ved at sænke temperaturen af det brændende stof. En brand kan også slukkes ved at hindre luften i at komme hen til det brændende stof. En brands omfang kan mindskes ved at fjerne stoffer, der kan brænde. 185

186 KOSMOS B KAPITEL 1 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 stjerner. Solen ligger i udkanten af Mælkevejen. Der findes milliarder af andre mælkeveje, de såkaldte galakser. 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 29,5 døgn mellem to fuldmåner. Jordens akse er ikke vinkelret på den plan, hvor Jorden bevæger sig rundt om Solen. Jordens akse hælder 23,5. 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. FORMØRKELSER OG TIDEVAND På nattehimlen er der fiksstjerner. De sidder i et fast mønster, de såkaldte stjernebilleder. Fordi Jorden drejer rundt, bevæger stjernerne sig i cirkler på nattehimlen. Centrum for cirklerne ligger ved Nordstjernen. Planeter er himmellegemer, der flytter sig rundt om Solen. Planeterne flytter sig på nattehimlen tæt på en linje, der kaldes ekliptika. Jorden Månen Solen 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. Indtil slutningen af 1500-tallet troede man, at Jorden var centrum i Universet. Det kaldes det geocentriske verdensbillede. Efter opfindelsen af kikkerten omkring 1600 blev man klar over, at Solen er centrum i Sol - systemet. Det kaldes det heliocentriske verdensbillede. 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 derfor kun ses fra den halvdel af Jorden, hvor der er nat. Tidevandet opstår, fordi der forskellige steder på Jorden ikke er samme tiltrækningskraft fra Månen (og Solen). Når tidevandet er højest, kaldes det flod. Når det er lavest, kaldes det ebbe. Der er flod cirka to gange hvert døgn. Ved fuldmåne og ved nymåne er tidevandet særlig kraftigt. Det kaldes springflod. 186

187 KOSMOS B KAPITEL 2 MAGNETISME MAGNETER Magneter har to poler, en nordpol og en sydpol. To ens poler frastøder hinanden. En nordpol og en sydpol tiltrækker hinanden. Magneter er omgivet af et magnetfelt, hvor feltlinjerne viser magnetfeltets retning. Jorden kan betragtes som en magnet med sydpolen liggende tæt ved den geografiske nordpol. Jorden er derfor omgivet af et magnetfelt. MAGNETER OG ELEKTRISK STRØM En elektrisk strøm frembringer et magnetfelt. Højrehåndsreglen fortæller, hvordan man kan bestemme magnetfeltets retning omkring en ledning. 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 strømførende ledning påvirkes af et magnetfelt. Lillefingerreglen benyttes til at bestemme retningen af kraften på en ledning i et magnetfelt. Anbring højre hånd med håndfladen mod nordpolen og med fingrene i strømmens retning. Lillefingeren vil så vise retningen af kraften på ledningen. En elektromagnet er en spole med jernkerne. Magnet - feltet i en spole vokser, når antallet af vindinger og strømstyrken vokser. ANVENDELSER AF MAGNETISME Det magnetiske felt fra en stangmagnet ligner det magnetiske felt omkring Jorden. Pilene viser retningen af kraften på en kompasnåls nordpol. I en generator laves elektrisk strøm, når en spole bevæger sig i et magnetfelt, eller når en magnet bevæger sig forbi en spole. Der dannes herved en vekselstrøm. I en højttaler får et magnetfelt en spole til at svinge. Spolen er i forbindelse med en membran, der laver lyden. 187

188 KOSMOS B KAPITEL 3 ENERGI ENERGIENS MANGE FORMER Det arbejde, en kraft udfører på en genstand, er kraftens størrelse ganget med den strækning, genstanden flyttes. Arbejdets størrelse udregnes som: Arbejdet = Kraften Strækningen Arbejde angives i enheden joule, der forkortes J. Beliggenhedsenergi og bevægelsesenergi er to energi former. Det internationale navn for bevægelsesenergi er kinetisk energi. Beliggenhedsenergi hedder potentiel energi. ENERGI I SAMFUNDET Effekt er et udtryk for, hvor hurtigt energi omdannes fra en energiform til en anden. Effekten udregnes som Effekten = Arbejdet Tiden Effekt angives i enheden watt, der forkortes W. En kilowatt-time, der forkortes kwh, er en enhed for energi. Et stofs brændværdi angiver den varmemængde, der dannes, når 1 kg af stoffet brænder. Alle ting falder lige hurtigt, når der ikke er luftmodstand. ENERGIBEVARELSE OG VARME Energi angives i enheden joule, der forkortes J. Det er en naturlov, at energien er bevaret. Varme er energi, der flytter sig fra steder med høj temperatur til steder med lav temperatur. For at opvarme 1 g vand 1 ºC skal der tilføres ca. 4,2 J. Varmeenergi blev tidligere angivet i enheden kalorie, der forkortes cal. Solceller virker som elementer. ENERGIFORBRUG 188 De fossile brændstoffer stammer fra Jorden. De vedvarende energikilder får deres energi fra Solen. Vedvarende energikilder udnyttes med vindkraft, vandkraft, solceller, solfangere og biogasanlæg.

189 KOSMOS B KAPITEL 4 LYD OG LYS LYD Lyd er en trykbølge, der i luft bevæger sig med en fart på ca. 340 m/s. Bølgelængden er afstanden mellem to bølgetoppe. For lyd er det to steder, hvor trykket er størst. Frekvensen af en bølge er antallet af svingninger pr. sekund. Enheden for frekvens er hertz, hvor 1 Hz betyder 1 svingning pr. sekund. Menneskets øre kan høre lyde med frekvenser mellem 20 Hz og Hz. 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. En regnbue opstår, når sollyset, efter spejling inde i vanddråberne, spredes i forskellige retninger. ANVENDELSER AF LYS For en bølge gælder følgende sammenhænge: Fart Bølgelængde = Frekvens Fart Frekvens = Bølgelængde Fart = Bølgelængde Frekvens LYS Lys er en bølge, der består af svingende elektriske og magnetiske felter. De forskellige farver har forskellige bølgelængder. Sollys er sammensat af alle spektrets farver: rød, orange, gul, grøn, blå og violet. En lysleder er en meget tynd og bøjelig tråd af glas eller plast. Lys kan ikke slippe ud af lyslederen, fordi lyset bliver totalt tilbagekastet fra overfladen. Lysledere er meget effektive til hurtig overførsel af store mængder information. Lysledere benyttes også af læger, når de skal se ind i fx luftrøret, blæren eller maven på en patient. Lysdioder laver lys på en måde, så kun lidt energi spildes som varme. Lysdioder, der også kaldes LED, vil blive meget anvendte i lyskilder i fremtiden, da gammeldags glødepærer ikke længere må sælges. ANVENDELSER AF LYD Ultralyd er lyd med frekvenser over Hz. Dopplereffekten er den ændring i frekvens, der høres, når en lydgiver bevæger sig. 189

190 KOSMOS B KAPITEL 5 LUFT NITROGEN OG OXYGEN HYDROGEN Den atmosfæriske er luft sammensat af forskellige luftarter. Der er 78 % nitrogen, N 2, og 21 % oxygen, O 2, samt små mængder af andre luftarter. Oxygen reagerer let med andre stoffer. Når et stof brænder, er det netop en reaktion mellem stoffet og oxygen. Grundstof nr. 1 er hydrogen. Hydrogen er den letteste luftart. Hydrogen kan fremstilles ved elektrolyse af vand. Hydrogen påvises ved at sætte en brændende træpind hen til en lille prøve i et reagensglas. Man kan undersøge, om en luftart er oxygen, ved at sætte en glødende træpind ned i luftarten. Bryder træpinden i brand, er luftarten oxygen. Næsten halvdelen af alle atomer i jordskorpen er oxygen. Luftens oxygen dannes af planter ved fotosyntese. Den kemiske reaktion for fotosyntesen kan skrives som: sollys + 6 H 2 O + 6 CO 2 C 6 H 12 O O 2. ÆDELGASSERNE OG KEMISK BINDING Ædelgasserne er helium, neon, argon, krypton, xenon og radon. Helium er den letteste af ædelgasserne. Ædelgasserne danner kun ganske få kemiske forbindelser med andre grundstoffer. Ædelgasserne kan ikke brænde, og man kan hverken smage eller lugte dem. Ædelgassernes molekyler indeholder kun ét atom. Molekylerne er en-atomige. CARBONDIOXID, CO 2 Hydrogen, oxygen og nitrogen danner to-atomige molekyler, H 2, O 2 og N 2. I et hydrogenmolekyle, H 2, er der en enkeltbinding mellem hydrogen-atomerne. I et oxygenmolekyle, O 2, er der en dobbeltbinding mellem oxygen-atomerne. I et nitrogenmolekyle, N 2, er der en tripelbinding mellem nitrogen-atomerne. Den atmosfæriske luft indeholder ca. 0,0385 % carbondioxid, CO 2. Mængden er konstant stigende. Carbondioxid er en tung luftart. Man bruger en CO 2 -indikator eller kalkvand til at afgøre, om en luftart er carbondioxid. Hydrogen Oxygen Nitrogen Carbondioxid Vand 190

191 KOSMOS B KAPITEL 6 METALLER OG IONER METALLER OG LEGERINGER Grundstofferne deles op i metaller og ikke-metaller. I naturen findes 70 grundstoffer, der er metaller. Metaller har metalglans. Metaller er gode elektriske ledere og gode varme - ledere. Letmetallerne har en densitet på under 5 g/cm 3. Titan, aluminium og magnesium er letmetaller. Tungmetallerne har typisk en densitet fra 7 til 11 g/cm 3. Jern, kobber og zink er tungmetaller. Ædelmetallerne er fx guld, platin og sølv. Legeringer er en sammensmeltning af to eller flere grundstoffer, ofte metaller. Messing er en legering af zink og kobber. Bronze kan fx være en legering af tin og kobber. Stål og rustfrit stål er også legeringer. IONER Det maksimale antal elektroner i en skal kan angives ved udtrykket 2n 2, hvor n er skallens nummer. I den yderste skal i et atom kan der dog maksimalt være otte elektroner. En positiv ion dannes ved, at et atom afgiver en eller flere elektroner. Alle metallerne danner positive ioner. En natrium-ion har det kemiske symbol Na +, en magnesium-ion Mg 2+. 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 2. Når et natrium-atom mister en elektron, bliver det til en natrium-ion. METALTEKNOLOGI Metaltråde gøres tyndere og længere ved trækning. Metalplader gøres tyndere ved valsning. Metalgenstande kan sættes sammen ved svejsning eller lodning. METALLERNE UDVINDING OG GENBRUG Ved ristning omdannes en metalforbindelse til et metaloxid, fx kobber-oxid. Det rene metal fås ved en reduktion, hvor oxygen fjernes fra metal-oxidet. Aluminium fremstilles ved elektrolyse. Metaller reagerer med luftens oxygen. Det kaldes korrosion. Når jern reagerer med oxygen, siger man, at jernet ruster. 191

192 KOSMOS B KAPITEL 7 SYRER OG BASER SYRER OG BASER KATALYSATORER OG ENZYMER Alle syrer indeholder en hydrogen-ion, H +, der kan fraspaltes. En hydrogen-ion, H +, opstår, når et hydrogenatom, H, mister sin elektron. Organiske syrer findes i planter og dyr. Alle syrer i madvarer er normalt organiske syrer. Alle organiske syrer betegnes som svage syrer. Eddike indeholder den organiske syre eddikesyre. Uorganiske syrer er fremstillet af mineraler. Uorganiske syrer findes ikke i større mængde i naturen. Uorganiske syrer fremstilles alle teknisk. Svovlsyre, H 2 SO 4, saltsyre, HCl, og salpetersyre, HNO 3, er stærke, uorganiske syrer. En katalysator får en reaktion til at gå hurtigere, uden at katalysatoren, bliver forbrugt. Enzymer fungerer ligesom katalysatorer. Enzymer øger reaktionshastigheden ved bestemte biologiske reaktioner. FARLIGE STOFFER På etiketten af et farligt stof skal der være et orangefarvet faresymbol. Uorganiske syrer er altid opløst i vand. De fleste baser indeholder en hydroxid-ion, OH. En hydroxid-ion, OH, består af et oxygen-atom, et hydrogen-atom og en ekstra elektron. En base er et stof, der kan optage en hydrogen-ion. Basen natriumhydroxid har den kemiske formel NaOH. Natriumhydroxid opløses let i vand. Ammoniak, NH 3, er en luftart, der let opløses i vand. Opløsningen kaldes ammoniakvand, og den er en base. SYRER, ph OG NEUTRALISATION ph-skalaen går fra 0 til 14. Rent vand har en ph-værdi på 7. ph-skalaen giver et mål for mængden af hydrogenioner og hydroxid-ioner. En sur opløsning er opløsning af en syre i vand. ph-værdien er mellem 0 og 7. En basisk opløsning er en opløsning af en base i vand. ph-værdien er mellem 7 og 14. Med indikatorpapir kan man undersøge, om en opløsning er sur eller basisk. En syre neutraliseres ved at hælde base i den. Når ph kommer op på 7, er opløsningen blevet neutral. 192

193 KOSMOS B KAPITEL 8 GLOBAL MILJØKEMI FOSSILE BRÆNDSTOFFER OG BIOGAS Fossile brændstoffer er kul, olie og naturgas. Naturgas indeholder flere forskellige stoffer, men der er over 90 % af luftarten methan, CH 4. Biogas består af mest methan, CH 4, og lidt CO 2. Biogas opstår ved forrådnelse af døde planter og døde dyr. CARBON-KREDSLØBET Carbon-kredsløbet beskriver, hvordan carbon-atomer kan flyttes fra et stof til et andet. Det sker i et evigt kredsløb, der kaldes carbon-kredsløbet. Fotosyntesen i planterne fjerner carbondioxid, CO 2, fra luften. Planterne kan ved hjælp af sollyset omdanne luftens CO 2 til oxygen, O 2. Carbon-atomet fra CO 2 ender i sukkerstoffet glucose, der har den kemiske formel C 6 H 12 O 6. LUFTFORURENING OG OZON NO X -er er et fællesnavn for mange giftige kemiske forbindelser mellem nitrogen og oxygen. X-et står for antal oxygen-atomer. Ozon er luftarten O 3. Den er ekstrem farlig. Ozonlaget ligger i atmosfæren i en højde på 20 til 50 kilometer. Ozon i ozonlaget dannes af sollyset. Ozonlaget stopper den farlige ultraviolette stråling fra Solen. Ozonlaget nedbrydes af de såkaldte CFC-gasser (Carbon, Fluor og Chlor). Et hul i ozonlaget er udtryk for, at ozon - laget et bestemt sted på Jorden er blevet tyndere. DRIVHUSEFFEKT OG KLIMAÆNDRINGER Uden drivhuseffekten ville temperaturen på Jorden være ca. 30 grader lavere. Drivhusgasser er luftarter, der opfanger varmestrålingen fra jordoverfladen. De vigtigste drivhusgasser er: vanddamp, H 2 O carbondioxid, CO 2 methan, CH 4 ozon, O 3 Fotosyntese Carbonkredsløb Det meste carbondioxid, CO 2, dannes ved afbrænding af de fossile brændstoffer, naturgas, olie og kul. CO 2 -indholdet i luften er steget så meget i de sidste hundrede år, at det er højere, end det har været i mere end den sidste halve million år. CO 2 indholdet i luften målt i procent Årstal 193

194 STIKORD A Afhængige variable 94 Afsvovlingsanlæg 169 Alfastråling 14 Alkalimetaller 160 Aluminium-ion 96 Aminosyrer 139 Ammonium-ion 96 Analogt signal 76 Antioxidanter 145, 153 Aristoteles 158 Armeret beton 119 Aromastoffer 146 Asfalt 125, 126 Astronomisk enhed 31 Atomar masseenhed 12 Atomart mikroskop 42 Atombombe 20 Atomer 8 Atomkernen 9, 12 A-vitamin 149 B Bacon, Francis 92 Bagepulver 146 Baggrundsstråling 17 Becquerel, Henri 13 Benzin 125, 126 Betastråling 14 Beton 118 Big Bang 30 Binære tal 76 Biobrændsel 62, 166 Bioethanol 171 Bohr, Niels 10, 172 Bohrmodellen 10 Brahe, Tycho 31 Brintbil 62 Brintsamfund 59 Brændselsceller 60, 62, 170 Brændselsolie 125, 126 Brændt kalk 117 B-vitamin 149 Bæredygtig udvikling 167 C Calcium-ion 96 Carbon-14-metoden 18 Carbonat-ion 96 Carbonhydrider 126 Ccd 83 Cd 82 Cellulose 137 Cement 118 Champagne 142 Chill-effekt 36, 37 Chip 74 Chlorid-ion 95 Computerskærm 82 Cracking 127 Curie, Marie 13 C-vitamin 149 D Dalton, John 158 Danisco Ingredients A/S 171 Demineraliseret vand 103 Demokrit 8, 158 Den naturvidenskabelige metode 92 Destillation 101 Destilleret vand 102 Deuterium 12 Dieselolie 125, 126 Digitalt signal 76 Dioder 72 Disaccharider 137 Dobbeltbinding 161 Dobbeltharpun 144 Dobbeltstjerner 33 Dopplereffekt 30 Dosimeter 25 Dotering 72 Drivhuseffekt 34 Dvd 82 D-vitamin 149 E Effektiv spænding 55 Einstein, Albert 17 Elektrisk guitar 65 Elektroder 104 Elektrolyse 104 Elektrolyt 104 Elektroner 8 Elektronmikroskop Elektronskaller 10 Elektronspring 10, 11 Element 105 Emulgatorer 171 Energi i mad 150 Energibærer 55 Energikvalitet 56 Energilagring 61 Enkeltbinding 161 Ensretning 72 E-nummer 145 Enzymer 171 Essentielle aminosyrer 139 Ethan 126 Ethanol 142 F Faraday, Michael 50 Fedtstoffer 136, 140 Fedtsyrer 140 Fejlstrøm 81 Fission 20 Flammefarve 11, 99 Flaskegas 126 Flyveaske 119, 168, 169 Forstærker 74 Fotoceller 75 Fotodioder 72 Fotoner 10 Fraktioner 125 Fraktioneret destillation 125 Franck, James 172 Fructose 137 Frysetørring 150 G Galakse 30 Galvanisering 105 Gammastråling 14 Geigertæller 16 Gekko 130 Gekkotape 131 Genbrug 166, 167, 168, 169 Generatorer 52 Geotermisk energi 57 Gejser, 38 Gips 118, 169 Glas 120 Glucose 137 Glycerol 140 Grundstof 158, 159, 160, 161 Gær 146 Gæring 142, 146 Gødning 121 H Haldor Topsøe A/S 170 Halogenerne 160 Halveringstid 14 Halvledere 72 Halvmetaller 159 HDTV 77 Hevesy, George de 172, 173 Hologrammer 78 Homogenisering 142 Hovedgrupper 159 HPFI-afbrydere 81 Hærdeplast 167, 168 Højspænding 56 Højtryk 35 I Ikke-metaller 159 Iltsvind 165 Induktion 50, 51 Induktionskomfur 63 Induktionsloven 51 Insulin 171 Integrerede kredse 74 Intravenøst drop 108 Ionbytter 103 Ionbyttet vand 103 Ioner 96 Iongitter 95 Ioniserende stråling 15 Ismanden 18 Isotonisk saltvand 108 Isotonisk sportsvand 141 Isotoper 12 J Jordens skaller 40 Jordens temperatur 38 Jordskælv 39 Jordskælvsbølge 40 Jævnspænding 55

195 K Kalium-ion 96 Kalk 117 Kalksten 117 Kameraer 83 Karamellisering 146 Katalysatorer 170 Kemisk binding 160 Kemisk ligevægt 144 Keramiske fliser 119 Kernekraft 20 Kernekraftværk 21 Klima 34 Klimaændring 34 Koldfront 35 Kongevand 173 Konservering 149 Krystalvand 118 Kulhydrater 136 Kulstof-14-metoden 18 Kunstgødning 122 Kvantefysik 11 K-vitamin 149 Kædereaktion 20, 23 L Landbrise 35 Lavtryk 35 LCD-skærm 83 Lede-retning 72 Lehmann, Inge 40 Lithium-batterier 107 Luftforurening 162 Lys 10 Lysdioder 72 Lyslederkabel 77 Lysår 31 Læsket kalk 117 M Magnesium-ion 96 Magnetfelt 50 Makromolekyler 127 Mendelejev, Dimitri 158 Metaldetektor 66, 67 Metaller 159 Methan 126 Micelle 141 Mikrobølgeovn 64 Mikrochip 74 Mikroskop 41 Mineraler 148 Minesøger 67 Monomer 128 Monosaccharider 137 Morsealfabetet 76 Mursten 119 Mælk 141 Mørkt stof 45 Mørtel 117 N Nanometer 8, 114 Nanorør 114 Nanoteknologi 114 Natriumchlorid 95 Natriumhydrogencarbonat 146 Natrium-ion 95 Natron 146 Naturgas 58 Neutroner 12 Neutronstjerne 45 Nitratbomben 165 Nitrat-ion 96 Nitrogenkredsløbet 123 Nobelprisen 172 Novo Nordisk A/S 171 NPK-gødning 122 O Olieraffinaderier 125 Organisk gødning 122 Organisk kemi 124 Organiske stoffer 124 Oxideret 106 P Paraffin 127 Pasteurisering 142, 149 Perioder 159 Petroleum 125, 126 Phosphat-ion 96 Pixel 83 Plasmaskærm 83 Plast 127 Polyethen 128 Polyethylen, se polyethen Polymer 128 Polymerisering 128 Polysaccharider 137 Positroner 17 Primærspole 53 Propan 126 Proteiner 136, 138 Protoner 12 PTC-modstand 80 Påvisning af ioner 99 R Radar Radioaktivitet 13 Radioaktivt affald 22 Radium 13 Radon 17, 19 Reaktionspil 144 Redox-proces 106 Reduceret 106 Relativitetsteorien 17 Rensning af stoffer 101 Rosinbollemodellen 9 Rutherford, Ernest 8 Rutherfordmodellen 9 Rutherfords bro 43 Rørovn 117, 118 Rørsukker 137 Råolie 125 S Salte 95 Saltes kemiske formler 97 Saltes navne 97 Saltning 150 Seismograf 39, 40 Sekundærspole 53 Selvrensende glas 115 sievert 24 Silikater 120 Smøreolie 125, 126 Solceller 61 Sommerfugleeffekten 37 Sort hul 44 Spiderman 130 Sporelementer 121 Sportsdrik 141 Spærrelag 73 Spærre-retning 72 Stearinsyre 140 Stivelse 137 Styring 80 Sulfat-ion 96 Supernova 31, 44 Sur regn 163, 164 Svovldioxid 163, 164, 168 Svovlforurening 162, 163, 168 Søbrise 35 Sødemidler 152 Sølv-ion 96 T Tagsten 119 Technetium 18 Temperaturregulering 80 Termoplast 167, 168 Thales 158 Thomson, Joseph 8 Tilskuer-ioner 99 Tilsætningsstoffer 145 Titandioxid 115 Tjernobyl 25 Transformer 53 Transistorer 73 Trefasespænding 56 Tryk 35 Tungt vand 12 Tv-signal 77 Tv-skærm 83 Tyggegummi 152 U Uafhængige variable 94 Uran 13, 22 Urinstof 158, 159 V Van der Waalske kræfter 131 Vandforurening 165 Variable 94 Varmfront 35 Vekselspænding 55 Vekselstrøm 73 Vindmøller 86 Vindrose 86 Vindstyrke 36 Virkningsgrad 57 Vitaminer 148 Von Laue, Max 173 W Wegener, Alfred 39 Wöhler, Friedrich 158, 159 Z Zink-ion 96 Zink-sølvoxid-elementet 107 Æ Ædelgasreglen 95, 160, 161 Ædelgasserne 160 Æggehvidestoffer 138 Ø Økologisk fodspor 167 Øl 142 Ørsted, Hans Christian 50 Ötzi 7, 18

196 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 og Niels Hartling. Gyldendal. En kort historie om næsten alt, Bill Bryson. Gyldendal. KEMISK PRODUKTION Olie et dansk råstof, Gunnar Cederberg. Gyldendal. MADENS KEMI Kend Kemien 1, Henrik Parbo Annette Nyvad og Kim Kusk Mortensen. Gyldendal. KEMI, MENNESKE OG SAMFUND Bogen om grundstofferne, Henning Henriksen og Erik Pawlik. Gyldendal. Mendeleev og det periodiske system, Preben Hartmann-Petersen. Polyteknisk Forlag. ATOMFYSIK Marie Curie og hendes nærmeste familie, Preben Hartmann- Petersen. Polyteknisk Forlag. HIMMEL OG JORD Universet, Michael J.D. Linden-Vørnle. Gyldendal. Universets melodi, Henry Nørgaard, Kaare Lund Rasmussen og Niels Elbrønd Hansen. Gyldendal. Inge Lehmann og Jordens kerne, Bjarne Kousholt. Polyteknisk Forlag. Liv i Universet er vi alene? Ib Lundgaard Rasmussen. Politikens Forlag. ENERGI PÅ VEJ H.C. Ørsted og fornuften i naturen, Bjarne Kousholt. Polyteknisk Forlag. Michael Faraday og induktionen, Bjarne Kousholt. Polyteknisk Forlag. Evig energi? brændselsceller og brintsamfundet, Ole Trinhammer. Fysikforlaget. Evig energi? evighedsmaskiner, Ole Trinhammer. Fysikforlaget. ELEKTRONIK OG STYRING Nanoteknologiske horisonter, DTU. Evig energi? solceller, Ole Trinhammer. Fysikforlaget. KEMISKE METODER Kend Kemien 1, Henrik Parbo Annette Nyvad og Kim Kusk Mortensen. Gyldendal. 196

197 FOTOLISTE Omslag Corbis, Steve Austin 06 Corbis/Sygma/Vienna Report Agency 09 ø. Gyldendals Billedbibliotek 09 n. Corbis /Bettmann 10 Gyldendals Billedbibliotek 11 Corbis/David Stoecklein 13 ø. Corbis/Bettmann 13 n. Gyldendals Billedbibliotek 15 A/S Søren Frederiksen 17 Gyldendals Billedbibliotek 20 Gyldendals Billedbibliotek 21 Scanpix 24 Corbis/Jose Luis Pelaez, Inc. 25 ø. NASA 25 n. Søren Lundberg 28 NASA 30 Søren Lundberg 31 Gyldendals Billedbibliotek 36 DMI 38 Scanpix/Torben Christensen 40 Scanpix/Allan Moe 41 Foci/Spl 42 Foci/Spl 43 Institut for Fysik/DTU 44 NASA 45 NASA 48 Corbis/Johannes Kroemer 51 ø. Gyldendals Billedbibliotek 51 n. A/S Søren Frederiksen 53 A/S Søren Frederiksen 57 Søren Lundberg 58 Polfoto/DPA 60 Ole Trinhammer 61 Polfoto 63 Daewoo 64 ø. OBH Nordica 64 n. Søren Lundberg 66 Scanpix/Keld Navntoft 67 ø. Polfoto/Morten Langkilde 67 n. Corbis/Robert Maass 70 Polfoto/Thomas Borberg 72 Gyldendals Billedbibliotek/ istockphoto 75 A/S Søren Frederiksen 81 Søren Lundberg 82 Foci/Spl 84 ø. Nikon 84 n. Scanpix/Reuters 86 Scanpix 87 ø. Gyldendals Billedbibliotek 87 n. Scanpix 90 Corbis 92 Corbis/PoodlesRock 93 Søren Lundberg 96 Søren Lundberg 99 Søren Lundberg 101 Søren Lundberg 102 Søren Lundberg 105 Søren Lundberg 106 Henning Henriksen 107 Søren Lundberg 108 ø. Corbis/Zefa 108 n. Scanpix/Mogens Flindt 109 ø. Corbis/Zefa 109 n. Corbis/Wendy Stone 110 ø. Corbis 112 Corbis/Eberhard Streichan 114 ø Corbis/Digital Art 114 n. Polfoto 115 Søren Lundberg 117 Finn Hansen 118 Scanpix/Preben Madsen 119 Scanpix/Mikkel Østergaard 120 Polfoto/AP 122 Intermedia Reklam AB 124 Søren Lundberg 127 Søren Lundberg 130 ø. Corbis/Melissa Moseley/Sony Pictures 130 m. Scanpix/Horst Ossinger 130 n. Corbis/Joe McDonald 131 Foci/Spl 134 Corbis/Dann Hardif 137 Søren Lundberg 139 Corbis/Pete Saloutos 140 Søren Lundberg 141 Polfoto/DPA 142 Corbis/Judy Griesedieck 144 Scanpix/Reuters 145 Søren Lundberg 146 Søren Lundberg 148 Søren Lundberg 150 Søren Lundberg 152 ø. Scanpix/BAM 152 n. Søren Lundberg Polfoto 156 Polfoto/Torben Åndahl 158 Gyldendals Billedbibliotek 159 Corbis/Michael Nicholson 162 Gyldendals Billedbibliotek 163 Gyldendals Billedbibliotek/ istockphoto 165 Scanpix/Kennet Havgaard 170 ø. Danisco Ingredients A/S 170 n. Poul Møller/Haldor Topsøe A/S 171 Novo Nordisk A/S 172 ø. Henning Henriksen 172 n. Gyldendals Billedbibliotek 173 Gyldendals Billedbibliotek 180 NASA 186 ESO 188 v. A/S Søren Frederiksen 188 h. Gyldendals Billedbibliotek/ CDanmark 190 Søren Lundberg 191 Scanpix Bagside Foci/Spl Foci/Spl Corbis, Steve Austin

198 DET PERIODISKE SYSTEM 1 H 92 U 3 Li 4 Be 11 Na 12 Mg 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 55 Cs 56 Ba 72 Hf 73 Ta 74 W 75 Re 76 Os 77 Ir 87 Fr 88 Ra 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt Lanthanoiderne 57 La 58 Ce 59 Pr 60 Nd 61 Pm 62 Sm Actinoiderne 89 Ac 90 Th 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu

199 2 He 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F 10 Ne 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 18 Ar 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 36 Kr 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 54 Xe 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 86 Rn 110 Ds 111 Rg 112 Cp 113 Uut 114 Uuq 115 Uup 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu 95 Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr

200 KOSMOS FYSIK OG KEMI Grundbog C 1. udgave 1. oplag Gyldendalske Boghandel, Nordisk Forlag A/S, København Forlagsredaktion: Søren Lundberg Ekstern redaktør: Svend Hessing Grafisk tilrettelæggelse: Carsten Schiøler Tegninger: Lars Petersen Tekniske tegninger: Martin Bassett Tryk: Korotan, Slovenien 2009 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.