26/8-2025: Materialet er blevet revideret og udbygget – se de helt nye tilføjelser nederst på siden.
26/8-2025: Materialet er blevet revideret og udbygget – se de helt nye tilføjelser nederst på siden.
CO2 er ofte omtalt som en af de helt store syndere i de menneskeskabte klimaforandringer. CO₂ er nemlig en drivhusgas, der medvirker til opvarmning af jordkloden med store konsekvenser som fx mere ekstremt vejr. Men hvad hvis vi kunne bruge CO₂ som en ressource? Indenfor feltet cirkulær kemi udvikles nye metoder til at omdanne CO₂ til brugbare materialer som plast, brændstoffer og byggematerialer. Ved hjælp af kemiske processer som elektrolyse, katalyse og mineralisering kan CO₂ fanget fra industri og atmosfæren indgå i nye kredsløb. Disse teknologier kan bidrage til at reducere udledningen og skabe mere bæredygtige produktionsmetoder. Men hvor langt er vi fra at gøre CO₂-baserede materialer til en realitet i stor skala? I dette tema lærer du først om nogle af de vigtige kemiske reaktioner, som CO₂ indgår i. Disse danner grundlaget for at forstå kemiens rolle i at omdanne CO₂ fra et klimaproblem til en vigtig byggesten for fremtiden.
C-O-2, som de fleste siger, når der står CO₂, er et lille, helt uundværligt men samtidig problematisk molekyle. Først præsenteres du for basal information om molekylet i nedenstående faktaboks, og bagefter kan du lære om, hvor CO₂ kommer fra, og hvor det forsvinder hen.
Facts om carbondioxidmolekylet
Navn:
Carbondioxid eller kuldioxid er navnet, du bruger i kemi. I gamle dage kaldte man det kultveilte (’tve’ og ’di’ refererer begge til de to oxygenatomer).
Bindingstyper:
Elektronparbindinger, også kaldet kovalente bindinger, holder atomerne sammen.
Hvert oxygenatom er bundet til det centrale carbonatom med dobbeltbindinger. I figur 1 ses det i elektronprikformlen, at hvert oxygenatom deler 4 elektroner med carbonatomet, og da der netop skal to elektroner til for at danne en binding, svarer det til en dobbeltbinding.
Opbygning:
Molekylet er lineært, hvilket betyder, at alle tre atomers centrum ligger på en ret linje. Herudover er molekylet symmetrisk (se figur 2) og dermed upolært, selvom begge dobbeltbindinger hver især er polære. Det bliver tydeligt, når forskellen i elektronegativitet beregnes:
EN(C) = 2,5
EN(O) = 3,5
ΔEN = 1,0
Fra beregningen kan det konkluderes, at dobbeltbindingerne mellem carbon- og oxygenatomerne er polære. Du kan læse mere om elektronegativitet i ’Fremtidens batterier – B-niveau’.
Fysiske egenskaber:
I figur 3 ses forskellige fysiske egenskaber for carbondioxid. Da carbondioxid sublimerer, dvs. fordamper fra fast form direkte til gas uden at være på flydende form, har stoffet ikke et smeltepunkt ved normalt tryk (1 atmosfære). Koncentrationen af carbondioxid i atmosfæren har været målt i mange år, og her kan du se, hvordan den er steget gennem de sidste cirka 60 år. I år 2000 var koncentrationen af CO₂ i atmosfæren fx 369,71 ppm (parts per million).
CO₂ kan opløses i vand, og derfor optager oceanerne en stor mængde af den CO2, der udledes til atmosfæren. Opløseligheden af CO₂ i vand afhænger blandt andet af vandets temperatur, og det skal du undersøge i ’Forsøg 1 – CO₂’s opløselighed er temperaturafhængig’.
Fun facts:
Når carbondioxid er på fast form, kaldes det for tøris. Dette hænger sammen med, at carbondioxid ikke smelter og bliver ’vådt’ ligesom is bliver til vand, før det fordamper. I stedet for sublimerer det. Da det samme antal molekyler på gasform fylder væsentlig mere end på fast form, kan man lave en mekanisk eksplosion, som du kan se Peter Hald, sikkerhedsleder på Institut for Kemi, AU, udføre her:
Tøris har mange funktioner ifølge et firma, der sælger det:
Nu ved du mere om det centrale molekyle i dette tema. Men hvorfor kan vi ikke undvære carbondioxid? Hvor kommer molekylet fra? Og hvorfor stiger koncentrationen i atmosfæren?
Carbondioxid er helt centralt for alt liv på jorden, da det indgår i den livgivende redoxreaktion, fotosyntesen vist i reaktion (1), som planter udfører. Her dannes det organiske molekyle, glukose (C6H12O6), ud fra carbondioxid og vand. Derved lagres lidt af energien fra solen i de kemiske bindinger. Glukose danner energigrundlaget for alt liv.
6 CO2(g) + 6 H2O(l) → C6H12O6(aq) + 6 O2(aq)
(1)
Uden carbondioxid, ingen fotosyntese og dermed intet liv, så vi kan ikke undvære molekylet.
Vi danner det faktisk selv igen i den modsatte reaktion, som kaldes respirationen vist i reaktion (2), når vi trækker vejret og bruger energien i fx glukosen.
C6H12O6(aq) + 6 O2(aq) → 6 CO2(g) + 6 H2O(l)
(2)
I figur 5 kan du se sammenhængen mellem fotosyntesen og respirationen, og du kan læse mere om disse processer i ’Fremtidens batterier – B-niveau’.
Reaktion (2) er kemisk set en forbrændingsreaktion. Glukosen oxideres fuldstændigt til carbondioxid og vand ved hjælp af dioxygen. Reaktionen er derfor et eksempel på en fuldstændig forbrænding, hvor produkterne kun er carbondioxid og vand. Fuldstændige forbrændinger af organiske stoffer kræver, at der er rigeligt med dioxygen til stede. Er der underskud af dioxygen, kan der dannes andre produkter som carbonmonoxid eller sod, som kan oxideres videre til carbondioxid og vand.
I mange år har vi som mennesker afbrændt fossile brændstoffer som olie, gas og kul, der dannes over mange tusind år, og dermed har vi udledt en stor mængde carbondioxid, som ellers har været begravet nede i jorden. Vi har derfor over tid kunnet måle, at koncentrationen af carbondioxid i atmosfæren stiger. Det er et problem, da det er en drivhusgas, som holder på varmen.
Heldigvis er der efterhånden udviklet mange teknologier som fx vindmøller og genopladelige batterier, der kan hjælpe os med at passe på klimaet og reducere udledningen af carbondioxid, og der er også meget fokus på, hvad man som borger selv kan gøre for at udlede mindre carbondioxid. Det kunne være at tage cyklen frem for bilen i skole eller på arbejde.
Det er godt at have fokus på klima og bæredygtighed, men selv om du som individ kan gøre en forskel, er det nødvendigt med større tværgående indsatser, som kræver politiske beslutninger.
I 2024 og 2025 er der blevet indgået en aftale mellem regeringen, arbejdsgiverorganisationer og fagforeninger, ’Den grønne trepartsaftale’, der er en del af Danmarks strategi for den grønne omstilling. Formålet med aftalen er at finde løsninger, der både mindsker landets CO₂-udledning og sikrer, at den grønne omstilling sker på en økonomisk ansvarlig måde. Aftalen har fokus på CO₂-reduktion, grønne arbejdspladser, uddannelse og opkvalificering til den grønne opstilling samt investering i grøn teknologi. Den søger samtidig at sikre en social balance, så den grønne omstilling ikke skaber større ulighed i samfundet.
Men ingen uddannelse og udvikling af grøn teknologi uden kemikere er involveret! Nedenfor skal du først møde et større forskningscenter, der fokuserer på CO₂-fangst og CO₂-omdannelse, der hedder CORC. Bagefter skal du lære om carbondioxids kemi, så du lettere kan forholde dig til de forskellige forskningsområder og politiske tiltag, der laves for at reducere CO₂-koncentrationen i atmosfæren.
Forskning i CO₂-fangst og CO₂-omdannelse
’Investering i CO2-fangst er billigt i forhold til den pris, vi må betale i sidste ende,’ siger temaleder af CORC, Troels Skrydstrup.
CORC er et forskningscenter, der er finansieret af Novo Nordisk Fonden, og som har sin primære base på Aarhus Universitet med afdelinger på Københavns Universitet, Danmarks Tekniske Universitet og universiteter i udlandet. CORC er en forkortelse for ’CO₂ Research Center’, og det har som formål at forske i CO₂-fangst og CO₂-omdannelse for at erstatte brugen af fossile brændstoffer med bæredygtige CO₂-teknologier.
Ifølge Troels, der er professor ved Institut for Kemi på Aarhus Universitet, er udledningen af carbondioxid ikke den største udfordring, vi står med. Han udtaler:
’Lige nu har vi ikke de teknologier, der skal til, for at indfange, lagre og udnytte den store mængde CO2, der befinder sig i atmosfæren. Og det er, efter min mening, samfundets største udfordring, fordi tallene er så store. Der skal en kæmpe indsats til for at løse problemet, og det kan kun gå for langsomt!’
Forskningen på CORC tager udgangspunkt i grænsefladen mellem kemi og biologi og fokuserer på nye metoder til CO₂-fangst, mikrobiel og kemisk omdannelse af CO₂ til værdifulde forbindelser, katalyse og elektrokemiske reduktioner. Målet er gennem innovative løsninger at bidrage til at bremse den globale opvarmning og støtte en bæredygtig fremtid. Herudover engagerer CORC sig også i dialog med politikere, industrien og offentligheden for at sætte fokus på CO₂-udfordringerne og de teknologiske løsninger, der udvikles.
Troels uddyber:
’Vi undersøger også, om vi kan omdanne CO₂ til noget nyttigt. Hvis vi fx kan omdanne CO₂ til ethylen, der er en byggesten til mange af de mest anvendte polymere, eller andre små byggesten som bliver brugt i den kemiske industri, så kan vi på sigt blive uafhængige af fossile brændstoffer i produktionen.’
Før du skal møde flere forskere, der arbejder med at omdanne carbondioxid til nyttige kemikalier, skal du lære om kemiske ligevægte, som er den type kemisk reaktion, der sker, når molekylet reagerer med vand. Det er den samme type reaktion, der sker inde i dig, når du trækker vejret og puster ud igen. Denne type reaktion kaldes en ligevægt.
Der findes carbondioxid både i luft og vand og dermed også i havet. Faktisk er havet et kæmpestort lager af carbondioxid. I ’Demonstrationsforsøg 1: CO₂ i vand’ vil du se, at carbondioxid kan opløses i vand. Det er uanset om det er vand i laboratoriet, i dit vandglas, i søer eller i oceaner.
Hvordan mon man får CO2-gassen ned i vandet?
I figur 3 kan du aflæse carbondioxids opløselighed, og du kan se, at den er angivet ved en bestemt temperatur, og det er fordi CO₂’s opløselighed er temperaturafhængig. Dermed ændrer opløseligheden sig, når temperaturen ændres, og det skal du selv undersøge i ’Forsøg 1: CO₂’s opløselighed er temperaturafhængig’. Viden om dette kan give dig og forskere i klima en bedre forståelse for, hvad vi som mennesker kan forvente, når oceanerne opvarmes på grund af den globale opvarmning.
Du skal i forsøget opløse CO₂-gas i vand ved to eller flere temperaturer og dermed undersøge betydningen af havet som en lagerplads for carbondioxid.
Når nu den globale opvarmning er i gang, blandt andet fordi koncentrationen af carbondioxid i atomosfæren stiger, stiger temperaturen også i klodens oceaner. Diskutér om det er et problem ift. hvad du fandt ud af i ’Forsøg 1: CO₂’s opløselighed er temperaturafhængig’.
Indtil nu har du primært mødt kemiske reaktioner, hvor reaktanter omdannes til produkter. Det er de såkaldte envejsreaktioner, der også kaldes irreversible reaktioner. Men så snart carbondioxid opløses i vand og reagerer med vandet, sker der kemiske reaktioner, der kan gå både frem og tilbage – de såkaldte reversible reaktioner. Dem skal du lære mere om i det næste afsnit. Først lærer du noget generelt om reversible reaktioner, og bagefter ser du, hvordan de reversible reaktioner kan påvirkes.
I carbondioxids reaktioner med vand, dannes syrer og baser. Det sker fx i din egen krop! Disse reaktioner sørger bl.a. for, at pH-værdien i dit blod holder sig stabilt lige omkring 7,4, men hvis de kommer ud af balance, ændrer pH-værdien sig, og kommer den over 7,6 eller under 7,2, er der risiko for, at du dør.
Carbondioxidet reagerer også med vandet i havet og er med til at regulere havets pH-værdi og danne grundlag for, at skaldannende organismer som muslinger og koraller kan danne deres kalkskaller. Og i den sodavand, du drikker, er brusen faktisk også et resultat af CO₂, der er opløst i væsken. Men hvordan ender CO₂ egentlig som de sprudlende bobler i din sodavand – og hvad har det med kemiens begreb om ligevægt at gøre?
Når du drikker halvdelen af en sodavand og lader resten stå, vil du opleve, at den bliver flad, og brusen er boblet af, næste gang du drikker af den. En sodavand med sukker i smager mere sødt, når den er flad. Brusen i sodavand er carbondioxid, som man har boblet ned i sodavanden og så sat låg på. Det kan du beskrive med dette reaktionsskema:
CO₂(g) → CO₂(aq)
(3)
Har du lagt mærke til, at når du har en sodavand, som er uåbnet, så kan du ikke se CO₂-boblerne i sodavanden? Men så snart du åbner den, så kan du se boblerne (se figur 6). Den modsatte reaktion af reaktion (4) går i gang:
CO₂(aq) → CO₂(g)
(4)
I ’Forsøg 1: CO₂’s opløselighed er temperaturafhængig’ så du måske, at der kan opløses mindre carbondioxid i varmt vand end i koldt, og derfor vil du opleve, at en sodavand bruser mere, hvis den har stuetemperatur, end hvis den lige er kommet ud af køleskabet. I figur 7 er der zoomet helt ind på de enkelte CO₂-molekyler i sodavand. I en uåbnet sodavand er der et lille lag af luft mellem væsken og låget. Så snart sodavanden åbnes, er der kontakt mellem laget af luft og luften udenfor sodavandsflasken. I reaktion (3) og (4) kan du se, at carbondioxid kan bevæge sig mellem de to tilstandsformer ’gas’ og ’opløst i vand’. Reaktionen kan dermed gå begge veje og er derfor reversibel.
I den uåbnede sodavand er der en balance mellem CO₂-molekyler, der bevæger sig fra vand til luft, og dem, der bevæger sig fra luft til vand. Hvis du kunne se de enkelte molekyler, som det er vist i figur 7, ville du kunne se, at de bevæger sig mellem de to faser (væske og gas), men kunne du zoome lidt ud, ville du se, at antallet af molekyler (koncentrationen) i luften og i vandet ikke ændrer sig. De to reaktioner (3) og (4) sker lige hurtigt. Det kaldes for ligevægt og skrives på denne måde:
CO₂(g) ⇌ CO₂(aq)
(5)
Den eneste forskel fra reaktion (3) og (4) er, at typen af pil ikke længere er en envejspil men en ligevægtsharpun. De to harpuner peger hver sin vej. Harpunen har kun den ene halvdel af pilens hoved.
Faktisk kaldes det for en dynamisk ligevægt, fordi de individuelle molekyler hele tiden er i bevægelse og skifter mellem de to faser. Ved ligevægt bevæger molekylerne sig lige hurtigt den ene som den anden vej, og derfor ændrer forholdet mellem stofmængderne i de to faser sig ikke.
I den nyåbnede sodavand i figur 6 bevæger nogle CO₂-molekyler sig ud af flasken til den omkringliggende luft (de lysegrå, stiplede pile). De store, sorte pile viser, at der er flere CO₂-molekyler, der bevæger sig fra vand til luft, end den modsatte vej, som er vist med grå lidt mindre pile. Den kemiske ligevægt (5) er altså ude af balance, da reaktionen den ene vej går hurtigere end den anden vej.
Når sodavanden har været længe åben som vist helt til højre i figur 6, vil nogle CO₂-molekyler bevæge sig fra sodavandsflasken til den omkringliggende luft og også modsat (vist med de lysegrå, stiplede pile). Der vil desuden igen være en balance mellem, hvor hurtigt CO₂-molekyler går fra vand til luft og modsat. Dermed har ligevægten indstillet sig igen. Reaktionen går lige hurtigt i begge retninger.
Selvom reaktionen går lige hurtigt i begge retninger, er koncentrationen af carbondioxid i luften og i vandet ikke den samme. Du skal nu regne på koncentrationen i luft og vand.
I figur 7 er der vist toppen af en sodavand i tre forskellige situationer. Du skal fokusere på pilene mellem vand og luft i figuren.
1. Beskriv med ord, hvordan de ændrer sig på de tre billeder.
2. Overvej, hvad der sker mellem billederne og sæt ord på det.
3. Hvad er det, der forstyrrer ligevægten, så den kommer ud af balance?
I ’Faktaboks: Carbondioxidmolekylet’ (link) er koncentrationen af carbondioxid i luften angivet 424,61 ppm (volumenkoncentration). Denne værdi skal du omregne til koncentrationsenheden g/L, så du kan sammenligne med opløseligheden af carbondioxid i vand ved 25 °C, der er 1,45 g/L. Til dette skal du bruge idealgasligningen.
Idealgasligningen viser sammenhængen mellem tryk, volumen, stofmængde og temperatur, lyder:
p er gassens tryk i atm, V er gassens volumen i L, n er stofmængden af gassen i mol, T er gassens temperatur i K, og R er en proportionalitetskonstant kaldet gaskonstanten. Den har samme værdi for alle gasser:
1. Omskriv formlen
så du har et udtryk for n og indsæt det i idealgasligningen i stedet for stofmængden.
2. Isolér massen, m, i ligningen.
3. Molarmassen, M, for carbondioxid er 44,01 g/mol. Antag at trykket er 1 atm og temperaturen er 25 °C. Omregn temperaturen til enheden K.
4. Koncentrationen af carbondioxid i luften er 424,61 ppm, hvilket betyder, at der er 0,00042461 L CO₂ i 1 L luft. Beregn massen af carbondioxid i 1 L luft.
5. Er koncentrationen af carbondioxid i luft større eller mindre end 1,45 g/L, som er opløseligheden i vand?
6. Opskriv ligevægt (5), hvor du øger skriftstørrelsen af CO₂ på den side af ligevægtsharpunen, hvor koncentrationen er størst (se evt. figur 8a som eksempel).
I flere forsøg har du set, at CO₂ kan opløses i vand. I ’Demonstrationsforsøg 1: CO₂ i vand’ blev der lagt et lag af ren CO₂-gas over vand. I figur 8a kan du se, at når ligevægten i demonstrationsforsøget havde indstillet sig, så var der stadig en højere koncentration af carbondioxid i luften end i vandet, fordi der var lagt ren CO₂-gas over vandet, så koncentrationen startede med 100%. Dette er i modsætning til din beregning i opgave 9, hvor koncentrationen i luften jo kun er 424,61 ppm. I figur 8b og 8c kan du se, at koncentrationen af carbondioxid i luften falder over tid, mens koncentrationen af carbondioxid opløst i vandet stiger.
Når en ligevægt forstyrres, kaldes det for et indgreb. Når en den påvirkes af et indgreb, vil ligevægten altid indstille sig igen efter lidt tid. Hvor hurtigt, det går, varierer fra reaktion til reaktion.
Hvis du tænker på en kemisk ligevægt som en vippe, du kender fra legepladser, kan venstre side af vippen symbolisere reaktanter, højre side kan symbolisere produkter, og midten af vippen er ligevægtsharpunen. Det er illustreret i figur 9.
I opgave 2 kom du måske frem til, at når du åbner en sodavand, forstyrrer du ligevægten vist i reaktion (5). Carbondioxidet på gasform fik dermed muligheden for at forlade flasken, og dermed har man fjernet lidt af reaktanten i reaktionsskema (5). Det kan illustreres med endnu en vippe, som du kan se i figur 10.
Øverst i figur 10 er vippen lettere på venstre side, hvilket svarer til, at der er forsvundet carbondioxid ud af flasken, da den blev åbnet. Det er lidt som på en vippe på en legeplads, hvor der er hoppet en person af på venstre side. Da kemiske ligevægte altid indstiller sig igen efter et indgreb, skal der flyttes ’noget’ fra højre til venstre side. Det er illustreret på den midterste vippe. CO₂-molekyler, der er opløst i vand (højre side), bliver til CO₂-molekyler på gasform. De stiplede røde pile viser bevægelsen af molekyler op af vandet mod luften. Ligevægtsharpunen er også kraftigere fra højre mod venstre, hvilket betyder, at selvom CO₂-molekyler stadig bevæger sig fra gas til væske, er der flere, der bevæger sig den anden vej, indtil ligevægten igen har indstillet sig som vist på den nederste del af figur 10.
Der kan opløses mere carbondioxid i koldt vand, så hvis oceanerne varmes op på grund af global opvarmning, vil der frigives noget af alt det carbondioxid, der lagres der. Der er også andre faktorer, der kan påvirke oceanernes kapacitet til at opmagasinere carbondioxid, og det skal du undersøge i ’Forsøg 2: Indgreb i CO₂-ligevægten’.
Du skal undersøge, om vandets surhedsgrad kan påvirke opløseligheden af carbondioxid.
(Du skal scrolle lidt ned på siden, du kommer ind på.)
Nu har du set, at kemiske ligevægte kan forskydes, hvis der sker et indgreb. Den franske kemiker, Henry Louis Le Chatelier, undersøgte kemiske ligevægte og endte med at formulere en regel, der i dag kendes som Le Chateliers princip. Det lyder:
’Toute transformation infiniment petite d’un systeme en equilibre chimique
qui est produite par la variation d’un seul des facteurs de l’equilibre s’éffectue
dans us sens tel qu’elle tende a produire une variation
en sens inverse du facteur considéré.’
På dansk lyder Le Chateliers princip:
Hvis man ændrer én af faktorerne i et system i kemisk ligevægt,
vil systemet forskyde ligevægten i en retning,
der modvirker denne ændring og genskaber balancen.
Hvis du tænker tilbage på resultaterne fra ’Forsøg 2: Indgreb i CO₂-ligevægten’, ændrede du netop kun en enkelt faktor ad gangen. I øvelsesvejledningen i punkt 10.a., som var dit kontrolforsøg, brugte du almindeligt postevand og undersøgte ligevægt (5).
CO₂(g) ⇌ CO₂(aq)
(5)
I øvelsesvejledningen i punkt 10.b. tilsatte du base, og du så, at opløseligheden af carbondioxid i vandet var ændret i forhold til i dit kontrolforsøg. Ved tilsætningen af base ændrede du blot en enkelt faktor. I øvelsesvejledningen i punkt 10.c tilsatte du syre, og du så, at opløseligheden af carbondioxid i vandet var ændret i forhold til i dit kontrolforsøg. Ved tilsætningen af syre ændrede du blot en enkelt faktor. I ’Forsøg 1: CO₂’s opløselighed er temperaturafhængig’ ændrede du temperaturen, og det var også kun en enkelt faktor. Hvis du havde tilsat base og samtidig ændret temperaturen, havde du ændret to faktorer på en gang, og så ville det være svært at fortolke resultatet, fordi du ikke ville vide, hvor meget de to faktorer bidrager og om de modvirker hinanden.
I ’Forsøg 2: Indgreb i CO₂-ligevægten’ observerede du formentlig, at der kunne opløses mere carbondioxid i vandet, da du tilsatte base i delforsøg 2. Dermed så du, at ligevægten blev forskudt mod produktsiden (højre side). Når du skal argumentere for en forskydning af en ligevægt ud fra Le Chateliers princip, kan du fx formulere dig sådan, hvor den første sætning blot er en opsummering af princippet:
‘Ifølge Le Chateliers princip vil en ændring af en faktor i en kemisk ligevægt resultere i, at ligevægten forskydes i den retning, der gør virkningen af indgrebet mindre. Ved tilsætning af base til vandfasen i reaktion (5), blev CO₂(aq) i vand fjernet, hvilket svarer til, at man fjerner produktet i ligevægten ved indgrebet. Dermed forskydes ligevægten mod produktsiden (højre) for at danne mere carbondioxid opløst i vand.’
1. Lav en tilsvarende formulering, der forklarer din observation fra delforsøg 3.
2. Lav en tilsvarende formulering, der forklarer, hvad der sker, når man åbner en sodavandsflaske (se også figur 6).
Ligevægt (5) er et eksempel på en heterogen ligevægt, hvor reaktanter og produkter ikke alle har samme tilstandsform. Reaktanten er på gasform, mens produktet er opløst i vand. Der findes også homogene ligevægte, hvor alle reaktanter og produkter er på samme tilstandsform.
Du kan i YouTube-videoen fra Gymnasiekemi nedenfor se en kort opsummering af den ligevægtsteori, du lige har været igennem. Du skal kun se frem til 4:38, da resten af videoen indeholder teori, du først skal lære om senere.
Der findes flere forskellige typer af indgreb i ligevægte udover at kigge på ændringer af koncentrationen af reaktanter og produkter. I ’Forsøg 3: Arbejd som Le Chatelier’ skal du undersøge to typer af indgreb i en homogen ligevægt, hvor alle reaktanter og produkter har samme tilstandsform. Du skal undersøge koncentrationsændringer og temperaturændringer.
Temperaturændringer hænger sammen med begreberne endoterm og exoterm. Alle kemiske reaktioner kan inddeles i to typer af reaktioner afhængigt af, om de frigiver varme til omgivelserne eller optager varme derfra. De reaktioner, der frigiver varme, kaldes for exoterme reaktioner, og de reaktioner, der optager varme, kaldes for endoterme reaktioner. Therm betyder varme (se figur 11).
Her er to huskeregler, du måske kan bruge:
1. Det engelske ord for udgang er ’exit’, og hvis en reaktion producerer varme, altså den skal ud til omgivelserne, så er den exoterm.
2. Når en reaktion forbruger varme, skal der varme ’end’ (ind) i reaktionen. Den er endoterm.
Her er to huskeregler, du måske kan bruge:
1. Det engelske ord for udgang er ’exit’, og hvis en reaktion producerer varme, altså den skal ud til omgivelserne, så er den exoterm.
2. Når en reaktion forbruger varme, skal der varme ’end’ (ind) i reaktionen. Den er endoterm.
Man siger altid, at en reaktion er fx endoterm eller exoterm i en bestemt retning: ’Reaktionen er endoterm mod højre’ betyder, at når reaktionen forløber mod højre, optages varme fra omgivelserne. Er en reaktion endoterm i den ene retning, er den altid exoterm i den modsatte retning.
For bedre at forstå, hvad exoterm og endoterm betyder, og hvorfor reaktioner producerer eller forbruger varme, skal du nu se denne video fra Gymnasiekemi. Du skal kun se frem til 6:41, da resten af videoen handler om teori, du først skal lære lidt senere i dette tema.
1. Hvordan forklares det i videoen, at alle reaktioner både forbruger og producerer energi?
2. Hvad afgør om reaktionen er endoterm eller exoterm?
Før du skal lave forsøg 3, hvor du bl.a. skal undersøge temperaturændringer, kan du afprøve din nye viden i opgave 6 på Haber-Bosch ligevægten, som er en af de kommercielt vigtigste kemiske reaktioner, der fremstiller ammoniak til gødning i landbruget ud fra dihydrogen og dinitrogen.
Haber-Bosch ligevægten (6) er exoterm mod højre. For at øge produktionen af ammoniak, bør producenten så hæve eller sænke temperaturen?
| N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g) | (6) |
I ’Forsøg 3: Arbejd som Le Chatelier’ ved du på forhånd ikke, i hvilken retning den ligevægt, du undersøger, er endoterm eller exoterm. Du skal i stedet undersøge, hvad der sker, når du øger og sænker temperaturen og observere din ligevægt, og så kan du konkludere retningen for hhv. den endoterme og exoterme reaktion.
I dette forsøg bestemmer du selv dele af dine forsøgsbetingelser, og du trænes i at lave hypoteser for dine forsøg.
(Du skal scrolle lidt ned på siden, du kommer ind på.)
Du mangler nu er lære om to typer indgreb mere. Det ene drejer sig om trykændringer, og det er kun relevant for reaktioner på gasform. Det andet drejer sig om volumenændringer, og det gælder for både reaktioner på gasform og opløsninger. Først skal du arbejde med trykændringer for gasligevægte. Haber-Bosch ligevægten (6) er en gasligevægt, og ved at øge trykket, forskydes den mod højre – altså mod produktsiden.
N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g)
(6)
Tryk handler om, hvor ofte gaspartiklerne rammer væggene i en beholder. Jo flere gaspartikler der er i samme volumen, jo oftere rammer de, og dermed bliver trykket højere. Hvis der er færre gaspartikler i en tilsvarende beholder, rammer de sjældnere væggene, og trykket er lavere. Det kan du også se i figur 12.
I figur 12 kan du se gule, blå og grønne molekyler. Kan du gennemskue, hvilke der reagerer med hinanden og i hvilket reaktionsforhold? Og har du et bud på, hvilken reaktion der er illustreret i figuren?
Hvis der er tale om en heterogen ligevægt, hvor nogle af partiklerne ikke er på gasform, kan du se bort fra disse, når du skal forudsige, hvordan ligevægten forskydes, hvis trykket sænkes eller øges. Det kunne være opløselighedsligevægten for carbondioxid i vand, som du har mødt flere gange i dette tema:
CO₂(g) ⇌ CO₂(aq)
(5)
Hvis trykket øges, vil ligevægten forskydes i den retning, hvor der er færrest partikler på gasform, og det vil sige, at ligevægt (5) forskydes til højre, og der opløses mere carbondioxid i vandet. Når der tilsættes ’brus’ til din sodavand, sker det netop under tryk. Bagefter er trykket inde i den lukkede sodavand faktisk også lidt højere end udenfor flasken, men når du åbner den, sænkes trykket, og ligevægt (5) forskydes mod venstre, hvor der er flere partikler på gasform.
Du mangler nu blot at møde den sidste type indgreb, du skal kende til. Det er volumenændring. I ’Forsøg 4 – Fortynd din ligevægtsblanding’ undersøger du volumenændring som indgreb.
I dette forsøg udfordres din hverdagsforestilling om fortyndinger.
(Du skal scrolle lidt ned på siden, du kommer ind på.)
Nu har du både teoretisk og eksperimentelt været igennem en række forskellige typer af indgreb i en kemisk ligevægt. I opgave 8 skal du forsøge at opsummere indgrebene.
Du skal lave en liste over indgreb i en ligevægt, som du indtil nu har arbejdet med. Du skal udfylde listen nedenfor. Der skal i alt være 10 punkter, og du får hjælp til det første.
1. Hvis man øger koncentrationen af en reaktant, forskydes ligevægten mod _______.
2. Hvis man …
3. Hvis man …
4. Hvis man …
5. Hvis man …
6. Hvis man …
7. Hvis man …
8. Hvis man …
9. Hvis man …
10. Hvis man …
Nogle reaktioner er blevet optimeret så meget i industrien, at der laves flere indgreb på samme tid. Det gælder Haber-Bosch reaktionen.
Haber-Bosch ligevægten (6) er exoterm mod højre. Hvis temperaturen sænkes, vil ligevægten iflg. Le Chateliers princip forskydes i den retning, der producerer varme, hvilket er mod højre.
| N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g) | (6) |
Imidlertid er reaktionen så langsom ved stuetemperatur, så temperaturen øges til 400 °C, men samtidig tilsættes en katalysator, der øger reaktionshastigheden. For yderligere at forskyde reaktion (6) mod højre, laves to andre indgreb på samme tid:
1. Trykket er højt. Forklar, hvorfor dette forskyder ligevægten mod højre.
2. Ammoniakken fortættes til væske. Forklar, hvorfor dette forskyder ligevægten mod højre.
I ’Demonstrationsforsøg 2: Den krøllede flaske’ kan du sammen med din lærer undersøge, hvad der sker, når man blander natriumhydroxid med danskvand i en lukket flaske. Forsøget er blevet et af de forsøg, Kemishow fra Aarhus Universitet har med på scenen. Du mangler dog lidt baggrundsviden fra syre-basekemien for at kunne tolke det.
Når carbondioxid opløses i vand, er det ikke kun ligevægt (7) mellem gas- og væskefase, der indstiller sig. Faktisk reagerer produktet fra ligevægt (7) med et vandmolekyle og danner dihydrogencarbonat (H2CO3 – også kendt som kulsyre) i ligevægt (8), og produktet herfra reagerer i ligevægt (9), hvor hydrogencarbonat (HCO3–) dannes. Hydrogencarbonat reagerer igen videre og danner carbonat (CO32-) i ligevægt (10).
CO₂(g) ⇌ CO₂(aq)
(7)
CO₂(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq)
(8)
H2CO3(aq) + H2O(l) ⇌ HCO3–(aq) + H3O+(aq)
(9)
HCO3–(aq) + H2O(l) ⇌ CO32-(aq) + H3O+(aq)
(10)
De fire ligevægte er koblede, dvs. de er koblet sammen. Koblede ligevægte opstår, når to eller flere kemiske ligevægte deler mindst én fælles ion eller forbindelse, så ændringer i den ene ligevægt påvirker den anden. Ved tilsætning af natriumhydroxid vil hydroxid reagere med oxonium i ligevægt (9) og (10).
Hvad er det mon, der sker med ligevægten i dette demonstrationsforsøg? Hvilken eller hvilke typer indgreb sker?
(Du skal scrolle lidt ned på siden, du kommer ind på.)
Idealgasligningen har du mødt i opgave 3. Den viser sammenhængen mellem tryk, volumen, stofmængde og temperatur, og lyder:
p er gassens tryk i atm, V er gassens volumen i L, n er stofmængden af gassen i mol, T er gassens temperatur i K, og R er en proportionalitetskonstant kaldet gaskonstanten.
1. Argumentér ud fra idealgasligningen, om trykket i en beholder stiger eller falder, når volumenet gøres mindre samtidig med, at hverken stofmængden eller temperaturen ændrer sig.
I flasken i demonstrationsforsøg 2 er trykket inden i flasken og udenfor flasken det samme, indtil der tilsættes natriumhydroxid. Herefter lukkes flasken, og carbondioxid går fra gasform til at være opløst i vand. Dette betyder, at trykket inde i flasken falder (se evt. figur 12c). Da der er højere tryk udenfor flasken end inden i, presser omgivelserne på flasken for at trykudligne. Flasken mases derfor sammen, hvorved volumen falder.
2. Volumenet bliver som nævnt mindre i flasken i løbet af forsøget, da stofmængden af CO₂(g) bliver mindre. Forestil dig nu, at forsøget blev udført i en beholder, som ikke kunne krølle sig sammen. Hvad ville der ske med trykket og ligevægt (7)?
De 4 ligevægte (7)-(10) er relevante, når man taler om CO₂-fangst, som du kan læse mere om senere i dette tema. Men faktisk spiller disse ligevægte også en rolle i kroppen, hvor de stabiliserer blodets pH, fordi de er syre-baseligevægte. Du skal på B-niveau lære mere om syre-baseligevægte, men det når vi ikke i dette tema.
For at kunne beskrive og forudsige, hvordan ligevægte reagerer på indgreb, som du netop har lært om, har vi brug for et værktøj: reaktionsbrøken.
Reaktionsbrøken er et tal, der viser forholdet mellem koncentrationerne af reaktanter og produkter for en reaktion på ét bestemt tidspunkt. Den gør det muligt at afgøre, om en reaktion er i ligevægt, eller om den forskydes mod flere produkter eller flere reaktanter.
Før du skal høre om, hvordan CO₂ kan bruges som byggesten, skal du lære om og forstå begrebet reaktionsbrøk.
Reaktionsbrøken er et udtryk for, hvordan ligevægtsblandingen af reaktanter og produkter ser ud lige nu. Den fungerer lidt som et øjebliksbillede: Er der flest reaktanter eller flest produkter? Reaktionsbrøken opstilles ud fra en fiktiv reaktion:
a A(aq) + b B(aq)… ⇌ c C(aq) + d D(aq)…
(11)
De stiplede prikker symboliserer, at der godt kan være både flere reaktanter og produkter. For en nemheds skyld er alle reaktanter og produkter opløst i vand, og tilstandsformerne er derfor ens. De små bogstaver er koefficienter, mens de store bogstaver er de stoffer, der reagerer og dannes.
I reaktionsbrøken (Y) står den aktuelle koncentration af produkter i tælleren, og den aktuelle koncentration af reaktanter i nævneren:
Koncentrationerne er opløftet i koefficienterne og er ganget med hinanden.
Når en ligevægt har indstillet sig, er værdien af reaktionsbrøken for en bestemt ligevægt en konstant, der kaldes for ligevægtskonstanten.
Den afhænger kun af temperaturen. Værdien af en ligevægtskonstant kan slås op i en databog. Her følger et eksempel.
Du kender denne ligevægt fra forsøg 3 og 4:
| Fe3+(aq) + SCN–(aq) ⇌ FeSCN2+(aq) | (12) |
Der er to reaktanter og et produkt i ligevægt (12). For at opskrive reaktionsbrøken for denne ligevægt skrives [FeSCN2+] i tælleren, og produktet af reaktanterne, [Fe3+] og [SCN–] i nævneren:
Hvis ikke du ved, at ligevægten har indstillet sig, skriver du altid reaktionsbrøken. Men ved du, at ligevægten har indstillet sig, kan du i stedet for skrive:
Værdien af K for præcis ligevægt (12) ved 25 °C kan slås op i en databog til:
Da alle koncentrationer har enheden M, vil der i brøken stå M i tælleren og M∙M i nævneren. Enhederne kan forkortes, så der står:
hvilket svarer til M-1.
Du kender denne ligevægt fra forsøg 3 og 4:
| Fe3+(aq) + SCN–(aq) ⇌ FeSCN2+(aq) | (12) |
Der er to reaktanter og et produkt i ligevægt (12). For at opskrive reaktionsbrøken for denne ligevægt skrives [FeSCN2+] i tælleren, og produktet af reaktanterne, [Fe3+] og [SCN–] i nævneren:
Hvis ikke du ved, at ligevægten har indstillet sig, skriver du altid reaktionsbrøken. Men ved du, at ligevægten har indstillet sig, kan du i stedet for skrive:
Værdien af K for præcis ligevægt (12) ved 25 °C kan slås op i en databog til:
Da alle koncentrationer har enheden M, vil der i brøken stå M i tælleren og M∙M i nævneren. Enhederne kan forkortes, så der står:
hvilket svarer til M-1.
Reaktionsbrøken kan bruges på forskellige måder. Den ene måde er at lave reelle beregninger, hvis du kender alle koncentrationerne i din reaktionsbrøk (se eksempel 2). Den anden måde er at finde ud af hvilken retning en ligevægt forskydes i ved et indgreb som fx øgning af reaktantkoncentrationen uden at have tal at regne med (se eksempel 3).
Nu antager vi nogle værdier for koncentrationerne af de tre stoffer, der indgår i ligevægt (12) og prøver at regne på, om ligevægten har indstillet sig.
[Fe3+] = 1,0 ∙ 10-2 M
[SCN–] = 1,0 ∙ 10-4 M
[FeSCN2+] = 2,0 ∙ 10-4 M
Ved at indsætte værdierne i udtrykket for reaktionsbrøken,
kan Y beregnes:
Husk at de kantede parenteser skal væk, når du indsætter værdierne for koncentrationerne, og du skal huske at sætte enhederne ind.
Vi ved fra eksempel 1, at ligevægtskonstanten ved 25 °C har værdien
K = 8,9 ∙ 102 M-1
Dermed er Y < K, fordi
Ligevægt (12) har derfor endnu ikke indstillet sig. Y skal blive større for at have samme værdi som K, og dermed skal ligevægten forskydes mod højre, så tælleren bliver større og nævneren bliver mindre.
Nu antager vi nogle værdier for koncentrationerne af de tre stoffer, der indgår i ligevægt (12) og prøver at regne på, om ligevægten har indstillet sig.
[Fe3+] = 1,0 ∙ 10-2 M
[SCN–] = 1,0 ∙ 10-4 M
[FeSCN2+] = 2,0 ∙ 10-4 M
Ved at indsætte værdierne i udtrykket for reaktionsbrøken,
kan Y beregnes:
Husk at de kantede parenteser skal væk, når du indsætter værdierne for koncentrationerne, og du skal huske at sætte enhederne ind.
Vi ved fra eksempel 1, at ligevægtskonstanten ved 25 °C har værdien
K = 8,9 ∙ 102 M-1
Dermed er Y < K, fordi
Ligevægt (12) har derfor endnu ikke indstillet sig. Y skal blive større for at have samme værdi som K, og dermed skal ligevægten forskydes mod højre, så tælleren bliver større og nævneren bliver mindre.
Når ligevægt (12) har indstillet sig, gælder følgende:
Det sænkede LV står for ligevægt.
I forsøg 3 tilføjede du sandsynligvis ekstra jern(3+)nitrat, hvilket svarede til, at du øgede koncentrationen af jern(3+)ioner i ligevægt (12). Før ligevægten når at reagere og indstille sig igen, er udtrykket
[Fe3+]ny er højere end [Fe3+]LV, fordi vi har tilsat ekstra af denne reaktant. Da værdien af nævneren derfor er større, bliver værdien af Y mindre end K, fordi du deler med et større tal.
Når ligevægten reagerer på indgrebet og genindstiller sig, stiger værdien af reaktionsbrøken til værdien af K. For at værdien af en brøk kan stige, må værdien af tælleren stige eller værdien af nævneren falde. Da der er massebevarelse i kemiske reaktioner, stiger værdien af tælleren samtidig med at værdien af nævneren falder. Dvs. at lidt af reaktanterne reagerer (nævneren bliver mindre), og der dannes mere produkt (tælleren bliver større):
Dermed er ligevægt (12) blevet forskudt mod højre, og du observerede formentlig i forsøg 3, at farven af ligevægtsblandingen var mørkere rød.
Når ligevægt (12) har indstillet sig, gælder følgende:
Det sænkede LV står for ligevægt.
I forsøg 3 tilføjede du sandsynligvis ekstra jern(3+)nitrat, hvilket svarede til, at du øgede koncentrationen af jern(3+)ioner i ligevægt (12). Før ligevægten når at reagere og indstille sig igen, er udtrykket
[Fe3+]ny er højere end [Fe3+]LV, fordi vi har tilsat ekstra af denne reaktant. Da værdien af nævneren derfor er større, bliver værdien af Y mindre end K, fordi du deler med et større tal.
Når ligevægten reagerer på indgrebet og genindstiller sig, stiger værdien af reaktionsbrøken til værdien af K. For at værdien af en brøk kan stige, må værdien af tælleren stige eller værdien af nævneren falde. Da der er massebevarelse i kemiske reaktioner, stiger værdien af tælleren samtidig med at værdien af nævneren falder. Dvs. at lidt af reaktanterne reagerer (nævneren bliver mindre), og der dannes mere produkt (tælleren bliver større):
Dermed er ligevægt (12) blevet forskudt mod højre, og du observerede formentlig i forsøg 3, at farven af ligevægtsblandingen var mørkere rød.
Hvis du støder på opgaver, hvor du skal vurdere, om en ligevægt har indstillet sig, kan du bruge oversigten i figur 13.
Du kan lære mere om reaktionsbrøken og ligevægtskonstanten i denne video fra Gymnasiekemi. Du har allerede set noget af videoen tidligere. Du kan enten starte fra begyndelsen og gense, de første 4.38 minutter, eller du kan springe direkte til gennemgangen af reaktionsbrøken.
Hvis en ligevægt er en ren gasligevægt, er det ikke den aktuelle koncentration af stofferne, der indgår i reaktionsbrøken, men derimod partialtrykket. Partialtrykket af en gas i en gasblanding er det tryk, gassen ville udøve, hvis den alene fyldte hele beholderen ved samme temperatur. Ifølge Daltons lov er det samlede tryk i en gasblanding summen af alle gassernes partialtryk, som du kan se i figur 14.
Lad os se på et eksempel på en ren gasligevægt.
Haber-Bosch ligevægten har du mødt tidligere:
| N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g) | (6) |
Når reaktionsbrøken skal opstilles for denne ligevægt, skal det i stedet for være partialtrykkene, som indgår frem for de aktuelle koncentrationer. Her er det også vigtigt at huske på, at der er koefficienter foran nogle af stofferne:
Partialtrykkene opløftes i den potens, der svarer til koefficienten i det afstemte reaktionsskema.
Haber-Bosch ligevægten har du mødt tidligere:
| N2(g) + 3 H2(g) ⇌ 2 NH3(g) | (6) |
Når reaktionsbrøken skal opstilles for denne ligevægt, skal det i stedet for være partialtrykkene, som indgår frem for de aktuelle koncentrationer. Her er det også vigtigt at huske på, at der er koefficienter foran nogle af stofferne:
Partialtrykkene opløftes i den potens, der svarer til koefficienten i det afstemte reaktionsskema.
Enheden for tryk kan være atmosfære (atm) eller bar. Du vælger selv i denne opgave, om du bruger den ene eller den anden enhed. I eksempel 4 er der opstillet en reaktionsbrøk for Haber-Bosch ligevægten. Kan du gennemskue enheden for reaktionsbrøken?
Stoffer på fast form eller som rene væsker (tilstandsformerne s og l) indgår ikke i reaktionsbrøker. I eksempel 5 kan du se, hvordan reaktionsbrøken så kan se ud.
I ligevægt (10), som er den sidste af de koblede ligevægte, når carbondioxid opløses i vand, indgår vand som en reaktionsdeltager:
| HCO3–(aq) + H2O(l) ⇌ CO32-(aq) + H3O+(aq) | (10) |
I denne heterogene ligevægt, hvor ikke alle reaktionsdeltagere er på samme tilstandsform, skal du følge reglerne fra tidligere, hvor produkternes aktuelle koncentration skrives i tælleren, og den aktuelle koncentration af den ene reaktant står i nævneren. Vand er på væskeform og indgår derfor ikke i reaktionsbrøken, som dermed ser sådan ud:
Enheden bliver M, da der er to koncentrationer i tælleren og en i nævneren.
I ligevægt (10), som er den sidste af de koblede ligevægte, når carbondioxid opløses i vand, indgår vand som en reaktionsdeltager:
| HCO3–(aq) + H2O(l) ⇌ CO32-(aq) + H3O+(aq) | (10) |
I denne heterogene ligevægt, hvor ikke alle reaktionsdeltagere er på samme tilstandsform, skal du følge reglerne fra tidligere, hvor produkternes aktuelle koncentration skrives i tælleren, og den aktuelle koncentration af den ene reaktant står i nævneren. Vand er på væskeform og indgår derfor ikke i reaktionsbrøken, som dermed ser sådan ud:
Enheden bliver M, da der er to koncentrationer i tælleren og en i nævneren.
Nu, hvor du ved, at stoffer på fast form og som rene væsker ikke indgår i reaktionsbrøken, undrer du dig måske over, hvordan du opstiller reaktionsbrøken for en heterogen ligevægt med stoffer, der både er på gasform og opløst i vand. Det kan du se i eksempel 6.
Ligevægt (7), hvor carbondioxid opløses i vand, er heterogen.
| CO₂(g) ⇌ CO₂(aq) | (7) |
Når du opskriver reaktionsbrøken for denne, bruger du den aktuelle koncentration for carbondioxid opløst i vand og partialtrykket for carbondioxid på gasform:
Enheden her bliver M/bar eller M/atm.
Ligevægt (7), hvor carbondioxid opløses i vand, er heterogen.
| CO₂(g) ⇌ CO₂(aq) | (7) |
Når du opskriver reaktionsbrøken for denne, bruger du den aktuelle koncentration for carbondioxid opløst i vand og partialtrykket for carbondioxid på gasform:
Enheden her bliver M/bar eller M/atm.
I de koblede ligevægte (7)-(10) har du i eksempel 5 og 6 set, hvordan du opskriver reaktionsbrøken for to af dem.
| CO₂(g) ⇌ CO₂(aq) | (7) |
| CO₂(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq) | (8) |
| H2CO3(aq) + H2O(l) ⇌ HCO3–(aq) + H3O+(aq) | (9) |
| HCO3–(aq) + H2O(l) ⇌ CO32-(aq) + H3O+(aq) | (10) |
1. Opskriv reaktionsbrøken for ligevægt (8) og (9) og angiv enheden.
Du kan lægge reaktionsskemaer sammen, hvis de er koblede. Det gælder for (7)-(10). Alt på venstre side af ligevægtspilene lægges sammen, og alt på højre side lægges sammen. Hvis der er et stof, der findes på begge sider, kan det forkortes væk lidt som du gør i en ligning i matematik, hvis der står x på begge sider.
2. Læg de fire reaktionsskemaer sammen og opskriv reaktionsbrøken for ligevægten. Husk at være opmærksom på tilstandsformer og koefficienter.
Når vi arbejder med kemiske ligevægte, som for eksempel carbondioxids opløselighed i vand, ser vi, hvordan små ændringer i tryk, temperatur eller koncentration kan forskyde ligevægten i en reaktion. Denne forståelse er central, når vi vil forstå og beskrive naturens egne processer som havets optag af CO₂.
Atmosfæren og havet udveksler konstant carbondioxid gennem overfladen. Denne proces er styret af de koblede ligevægte, som du har mødt tidligere:
CO₂(g) ⇌ CO₂(aq)
(7)
CO₂(aq) + H2O(l) ⇌ H2CO3(aq)
(8)
H2CO3(aq) + H2O(l) ⇌ HCO3–(aq) + H3O+(aq)
(9)
HCO3–(aq) + H2O(l) ⇌ CO32-(aq) + H3O+(aq)
(10)
Disse ligevægte gør havet til en vigtig ’buffer’, der kan optage en betydelig del af det carbondioxid, vi udleder. Faktisk er verdenshavene i dag en af de største spillere i at optage carbondioxid fra atmosfæren og optager omkring en fjerdedel af menneskeskabte udledninger. Men der er en bagside. Når havet optager mere carbondioxid, falder pH-værdien i vandet gennem ligevægt (9) og (10), fordi der dannes oxoinium. Dette kaldes forsuring, og det kan påvirke organismer som koraller, skaldyr og plankton, der bruger carbonat fra ligevægt (10) til at danne kalkskaller og skeletter. Sammenhængen mellem atmosfærens og havets indhold af carbondioxid er derfor central både for at forstå klimaændringer og for at se konsekvenserne for havets økosystemer.
Du har i ’Forsøg 1: CO₂’s opløselighed i vand er temperaturafhængig’ set, at der kan opløses mere carbondioxid i koldt vand end i varmt vand. Dit forsøg sker i virkeligheden i en meget større skala i et større kredsløb af varmt og koldt vand! I figur 15 kan du se en del af det store kredsløb i Atlanterhavet, hvor Golfstrømmen oftest forstås som den del, der sender varmt overfladevand mod Danmark og Norden.
Det varme overfladevand i Golfstrømmen strømmer fra ækvator mod den nordvestlige del af Europa og er blandt andet med til at holde luft- og havtemperaturen oppe i vores del af verden. Når det varme overfladevand efterhånden afkøles mod nord, opløses mere og mere carbondioxid deri. Samtidig gælder det, at koldt vand er tungere end varmt vand, og det synker derfor til bunden mod dybhavet og påbegynder en meget langsom vandring gennem kredsløbet tilbage mod ækvator. Når vandet igen varmes op ved ækvator, vil carbondioxidet igen frigives til atmosfæren. Men fordi det tager lang tid for det kolde vand med den høje carbondioxidkoncentration at nå ækvator, fungerer havet som et slags midlertidigt lager af carbondioxid. Faktisk har man estimeret, at havet gennem dette kredsløb har optaget op mod 25% af det menneskeskabte carbondioxid siden industrialiseringen.
Når nu du ved, at opløseligheden af carbondioxid i vand (7) stiger, når vandet bliver koldere, kan du da gennemskue om reaktionen mod højre er endoterm eller exoterm?
| CO₂(g) ⇌ CO₂(aq) | (7) |
Når koncentrationen af CO₂ i atmosfæren stiger, opløses mere CO₂ i havets overfladevand. Det handler ganske enkelt om, at koncentrationen af reaktanten i ligevægt (7) øges, og dermed forskydes den mod højre, og der opløses mere carbondioxid i havvandet. Men da ligevægt (7) er koblet med ligevægt (8)-(10), dannes der dermed også oxonium, der påvirker pH i havet (se figur 16). Og dette kan som nævnt påvirke de levende organismer i havet.
Men måske fandt du en løsning til dette problem i ’Forsøg 2: Indgreb i CO₂-ligevægten’, hvor du så, at der kan opløses mere carbondioxid i vand, hvis vandet er basisk. Måske er løsningen nemlig at hælde en masse base i havet, så det kan optage mere carbondioxid samtidig med, at vi modvirker forsuringen af havene? Først skal du lige forsøge at forklare, hvorfor base netop øger opløseligheden af carbondioxid i vand.
Når natriumhydroxid tilsættes vand, vil hydroxid reagere med den oxonium, der er i vandet i følgende reaktion, der er en ligevægt:
| OH–(aq) + H3O+(aq) ⇌ 2 H2O(l) | (13) |
Nu hvor du har lært, at ligevægten for carbondioxids opløselighed i vand er koblet til 3 yderligere ligevægte (8)-(10), hvor der dannes oxonium i de sidste to, skal du prøve at forklare, hvorfor opløseligheden af carbondioxid stiger, når vandet tilsættes base.
Helt enkelt er det nu ikke blot at tilsætte base til havene og så regne med, at det kan øge carbondioxidoptaget uden at påvirke andet. Ligesom forsuring af havene kan påvirke koraller og skaldyr, kan en øgning af pH også gøre det. Metoden ’Ocean alkalinity enhancement’ (OAE – øgning af havets pH) diskuteres og undersøges blandt forskere, som en af mange CO₂-fangstmetoder.
Havet indeholder selv et stort lager af base, som faktisk til dels modvirker forsuringen af havene, og det er netop korallerne og skaldyrene. Deres hårde kalkskal består af calciumcarbonat, et tungtopløseligt salt, som er i ligevægt med calciumioner og carbonat:
CaCO3(s) ⇌ Ca2+(aq) + CO32-(aq)
(14)
Og så har vi en umiddelbar løsning på problemet med forsuring af havet, der dog giver en ny udfordring – begge dele styret af CO₂-ligevægtene.
Umiddelbar løsning: Kalkskallerne leder til en fastholdelse af carbondioxid i oceanerne, fordi organismernes skaller kan falde til bunds og blive en del af kalkklipper. Det er Møns Klint et godt eksempel på ligesom Faxe Kalkbrud er resterne af et 63 millioner år gammelt koralrev.
Udfordring: Hvis der er mere oxonium i havene pga. der opløses mere carbondioxid fra atmosfæren, vil ligevægt (10) forskydes mod venstre og forbruge carbonat.
HCO3–(aq) + H2O(l) ⇌ CO32-(aq) + H3O+(aq)
(10)
Carbonaten kommer fra opløsning af kalkskallerne, og ligevægt (12) forskydes mod højre. Hvis kalken i koraller og skaldyr går i opløsning, kan det på sigt resultere i, at arterne forsvinder, fordi kalken beskytter dem mod mekaniske påvirkninger og rovdyr.
I ligevægt (14) går det tungtopløselige salt, calciumcarbonat, i opløsning i de to ioner, det består af. Det er calciumionen og carbonat. Sådan en type ligevægt kaldes for en opløselighedsligevægt. Princippet for at opstille reaktionsbrøken for ligevægten er den samme, som du har lært om ovenfor.
1. Opstil reaktionsbrøken for ligevægten.
2. Hvad er enheden for ligevægtskonstanten?
3. Ligevægtskonstanten for en opløselighedsligevægt kaldes også for opløselighedsproduktet. Kan du gennemskue hvorfor?
I figur 17 kan du se en lille opsummering af sammenhængen mellem CO₂ i atmosfæren og havet og den globale opvarmning:
I dag arbejder forskere på at bruge netop denne viden til at fange carbondioxid og omdanne den til noget værdifuldt. I stedet for at betragte carbondioxid som et problem, undersøger man, hvordan det kan blive en byggesten i nye materialer, brændstoffer og kemikalier. Det er et tydeligt eksempel på, hvordan kemi og ny forskning kan være med til at skabe bæredygtige løsninger.
Når du hører om carbondioxid, tænker du måske mest på klimaproblemer og drivhuseffekt. Det er naturligt nok, da det er den fortælling, du mest vil møde i nyhederne. Men carbondioxid kan bruges som en slags ’lego-klods’ i kemiens verden, som du kan se i figur 18 og læse mere om nedenfor. Og netop den kemiske viden om carbondioxids ligevægte, som du har arbejdet med i dette tema, er helt central, når man skal finde nye måder at fange, lagre og omdanne gassen på.
© 2025 Alt er kemi – CVR 3119103 – Designet af Auxo.dk