CO₂ – fra klimasynder til byggesten

1. CO₂ – ressource eller problem?

CO₂ er ofte omtalt som en af de helt store syndere i de menneskeskabte klimaforandringer. CO_₂ er nemlig en drivhusgas, der medvirker til opvarmning af jordkloden med store konsekvenser som fx mere ekstremt vejr. Men hvad hvis vi kunne bruge CO_₂ 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.

1.1 Hvad er CO₂?

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.

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?

1.2 Fotosyntese, respiration og forbrænding

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.

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.

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.

1.2.1 Den grønne trepartsaftale

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.

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.

2. CO₂ i atmosfæren og havet

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.

2.1 CO₂ i vand

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.

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.

Carbondioxiden 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?

2.2 Ligevægtsreaktioner

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:

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:

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:

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 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.

2.3 Når ligevægte forstyrres

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.

2.3.1 Indgreb: Koncentrationsændring

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). Carbondioxiden 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’.

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).

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.

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.

2.3.2 Indgreb: Temperaturændring

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).

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.

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.

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.

2.3.3 Indgreb: Trykændring

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.

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.

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:

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.

2.3.4 Indgreb: Volumenændring

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.

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.

Nogle reaktioner er blevet optimeret så meget i industrien, at der laves flere indgreb på samme tid. Det gælder Haber-Bosch reaktionen.

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 (CO₃^2-) i ligevægt (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).

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.

2.4 Reaktionsbrøk og ligevægtskonstant

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:

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.

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).

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.

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.

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.

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.

2.5 Sammenhæng mellem CO₂ i atmosfæren og havet

Atmosfæren og havet udveksler konstant carbondioxid gennem overfladen. Denne proces er styret af de koblede ligevægte, som du har mødt tidligere:

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 carbondioxiden 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 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.

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:

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.

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 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.

3. CO₂ som byggesten i kemiens verden

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.

Selvom kemikere kan bruge carbondioxid som byggeklods i mange sammenhænge, så er der en række fordele men også udfordringer, som de skal tage højde for. Dem kan du møde et par af i opgave 16.

3.1 CO_₂-fangst og CO_₂-lagring

Før carbondioxid kan lagres eller bruges som byggesten, skal det fanges. Det kan ske fra luften eller fra punktkilder, dvs. direkte fra industriens røg. Denne proces kaldes CO₂-fangst og lagring (CCS – Carbon Capture and Storage), og den kan reducere mængden af drivhusgasser i atmosfæren betydeligt. I figur 20 kan du se en skitse af, hvordan man kan forestille sig to metoder til at fange carbondioxid fra en punktkilde. Der er tale om ligevægte, men mere om det længere nede. Det er teknisk mere udfordrende at opsamle carbondioxid fra luften end fra punktkilder, da koncentrationen af carbondioxid er meget mindre i luften end i punktkilderne.

Vi dykker nu ned i en af de mere almindelige metoder til at fange carbondioxid på. Det er ved at bruge aminer. Aminer er organiske molekyler, der indeholder nitrogen. De inddeles i primære, sekundære og tertiære aminer alt afhængig af, hvor mange carbonkæder, der er direkte bundet til nitrogenatomet (se figur 21).

3.1.1 Ligevægt styrer CO₂-fangsten

Monoethanolamin (MEA) er et eksempel på en primær amin, der bruges til at fange carbondioxid. Stoffet er polært pga. hydroxy- og amingruppen, og det kan derfor let opløses i vand. Nitrogenatomet i MEA har et frit elektronpar. Carbondioxid har polære dobbeltbindinger mellem carbon- og oxygenatomerne, men pga. molekylets symmetri, er det overordnet upolært. Dog vil de fælles elektronpar mellem carbon- og oxygenatomerne være forskudt mod oxygenatomerne pga. oxygens større elektronegativitet (se figur 22).

Carbonatomet i carbondioxid er lidt i underskud på elektroner og tiltrækkes derfor af nitrogenatomets frie elektronpar, og dermed vil ligevægt (15) ske, når carbondioxid opløst i vand kommer i kontakt med MEA opløst i vand:

Det første produkt efter ligevægtsharpunerne hedder MEA-carbamat, og det er her, carbondioxiden nu er fanget. Det andet produkt hedder ammonium-MEA.

I ligevægt (15) ser du et eksempel på en reaktionsmekanisme. En reaktionsmekanisme beskriver trin for trin, hvordan en kemisk reaktion forløber. På A-niveau viser man med pile, hvordan elektroner flytter sig mellem atomer og bindinger, og undervejs kan der dannes kortlivede forbindelser, kaldet intermediater.

I ligevægt (15) er det kun det ene MEA-molekyle, der angriber carbondioxid, hvorved der dannes et intermediat. Intermediatet reagerer straks videre med det andet MEA-molekyle og produkterne i ligevægt (15) dannes. Intermediatet, der har en positiv ladning ved nitrogenatomet og en negativ ladning ved oxygenatomet, er vist i figur 23.

MEA hører til 1. generation af aminer til CO₂-fangst. Det samme gør DEA (diethanolamin) og MDEA (methyldiethanolamin), der er eksempler på henholdsvis en sekundær og en tertiær amin. 2. generation af aminer er væsentligt forbedrede på flere punkter:

1. Aminernes reaktionshastighed er blevet højere.
2. Energiforbruget til at frigive carbondioxid og gendanne aminerne er formindsket.
3. Aminerne er mere temperatur- og oxidationsstabile og kan derfor modstå de barske forhold i fangstprocessen.
4. De er mindre miljøskadelige.

To eksempler på 2. generation af aminer kan du se i figur 24. De har samme reaktionsmekanisme som MEA og bruger altså frie elektronpar på nitrogenatomerne til at angribe det elektronfattige carbonatom i carbondioxid.

Nu har du mødt aminer, som en kemisk metode til at fange carbondioxid på, men hvad stiller man op med den, når først den er fanget?

3.1.2 Hvordan lagres CO₂?

Det er hensigtsmæssigt, at CO₂-fangst fra punktkilder sker i umiddelbar nærhed af egnede områder til underjordisk opbevaring af carbondioxid. for at minimere det store energiforbrug, der ellers ville gå til transport og håndtering af de enorme mængder carbondioxid, og dermed gøre hele processen både mere effektiv og klimamæssigt bæredygtig.

Når carbondioxid fanges direkte fra luften eller fra punktkilder, kan den lagres som vist i figur 25 for at forhindre, at den slipper ud i atmosfæren.

Lagringen kan ske geologisk, hvor gassen pumpes ned i underjordiske porøse lag, fx tidligere olie- og gasfelter eller dybtliggende saltlageformationer. Her kan gassen blive fanget i millioner af år under tætte lag af sten.

En anden mulighed er mineralisering, hvor carbondioxid reagerer kemisk med visse bjergarter, fx basalt. Basalt er en mørk, finkornet magmatisk bjergart, der dannes ved hurtig afkøling af lava, fx ved vulkanudbrud. Ved reaktionen omdannes carbondioxid til stabile carbonatforbindelser som calciumcarbonat (kalk). På den måde bliver carbondioxid omdannet til et fast stof og bliver en af de underjordiske mineraler. Forskere undersøger i dag, hvordan lagring kan gøres både sikkert og økonomisk, så det kan bidrage til at mindske udledningen af drivhusgasser globalt.

På Island har man bygget et stort anlæg til CO₂-fangst og -lagring, der hedder ORCA, der er i stand til at trække 4.000 t carbondioxid direkte ud af luften om året og lagre det i undergrundens basalt. De planlægger at bygge et endnu større anlæg, der kan trække 1.000.000.000 t (1 milliard) ud af luften. Du kan læse mere om ORCA her, og der er også en lille forklaring af, at Danmarks undergrund er velegnet til CO₂-lagring, men i en mindre størrelsesorden.

Men selvom ORCA gør et godt job, skal de stadig varme CO₂-filtrene op for at få frigivet carbondioxiden igen, så det kan pumpes ned i jorden, og det kræver energi.

Der er udviklet metoder til at fange CO₂ direkte fra atmosfæren, som fx ORCA bruger, og mens disse metoder ofte fanger meget CO₂, så det kræver det til gengæld virkelig meget energi at få den frigivet igen. Omvendt har man også udviklet metoder til at fange carbondioxid fra punktkilder vha. aminer, som er beskrevet ovenfor for MEA. Sammenlignet fanger punktkildemetoderne ikke så meget CO₂, men de bruger heller ikke så meget energi. Begge tilgange har altså deres fordele og udfordringer, og derfor er det nødvendigt at finde nye løsninger, der både kan kombinere en høj fangstkapacitet med et lavt energiforbrug.

For at gøre CO₂-fangst mere effektiv og mindre energikrævende, arbejder forskere verden over på at udvikle nye materialer og metoder. En af dem er Jiwoong Lee fra Københavns Universitet, der som en del af CORC forsker i, hvordan man kan optimere fangstprocessen og samtidig minimere energiforbruget.

Nu kender du lidt til en af metoderne til CO₂-fangst, som man arbejder på. Det er som nævnt lettest at fange carbondioxiden ved punktkilder. Det kunne fx være punktkilder i cementindustrien, der er en af de større udledere af CO₂. Men de er meget bevidste om dette og forsøger at reducere denne udledning. Men måske tænker du nu, at vi da bare kan stoppe med at bruge så meget cement. Lad os kigge nærmere på det, og så kan du bagefter møde en kemiker der har været med til at udvikle cement, der udleder meget mindre carbondioxid!

3.2 CO₂ og cementindustrien

’Cement binder verden sammen’, skriver Aalborg Portland på deres hjemmeside. Virksomheden er Danmarks eneste cementproducent og ligger, hvor den gør, fordi området rummer nogle af landets reneste kalkforekomster. Her kan kalkudgravning, cementproduktion og adgang til centrale transportveje samles på ét sted (se figur 28). De er landets største punktkilde for CO₂-udledning, og firmaet arbejder på at reducere CO₂-udledningen gennem flere tiltag. Deres målsætning er at være CO₂-neutral på egne udledninger i 2030, hvilket de bl.a. vil opnå gennem udvikling af produkter, der udleder mindre carbondioxid, som du kan læse om nedenfor. Desuden vil de skifte til grønnere brændsler i deres opvarmningsprocesser og etablere CO₂-fangst fra deres produktion. Men hvad er cement, og hvorfor udleder produktion af cement så meget carbondioxid?

3.2.1 Når kemi forbedrer byggeri

Cement er helt uundværligt i byggebranchen, hvor det bl.a. bruges til bygninger, veje, broer, tunneler, dæmninger, fortove samt rør- og kloaksystemer. Her fungerer det som et bindemiddel mellem forskellige materialer. Det er et fint pulver, som bliver fast, når det reagerer med vand. Det indgår som en essentiel bestanddel i beton, som udover cementen også indeholder sand og sten. Ingeniøren skriver i 2022:

’Vi bruger i dag så meget cement på verdensplan, at det svarer til, at hver eneste jordbo køber ét kilogram cement om dagen.’

Cementens kemiske kredsløb består overordnet af tre trin:

1. Calcinering

Calciumcarbonat (kalk) findes i kalkgrave, hvorfra det udgraves og transporteres til cementfabrikken. Her findeles det. Parallelt med udgravningen af kalk, hentes også sand, der indeholder siliciumdioxid (SiO₂), og ler, der indeholder en lang række metaloxider. Kalk, sand og ler blandes og opvarmes til ca. 900°C i cementovnene, hvor kalken omdannes til calciumoxid og carbondioxid:

I forlængelse af reaktion (18) reagerer metaloxiderne fra sand og ler med calciumoxiden ved en hævning af temperaturen til 1450°C. Her udledes yderligere carbondioxid fra de brændstoffer, som bruges til opvarmning af ovnen. Calcineringsprocessen er ansvarlig for lidt over halvdelen af cementindustriens CO₂-udledning, mens den resterende del stammer fra forbrænding af fossile brændstoffer. Udledningen kunne reduceres ved brug af elektriske ovne til opvarmningen.

Siliciumoxid (SiO₂), aluminiumoxid (Al₂O₃) og jern(3+)oxid (Fe₂O₃) udgør størstedelen af metaloxiderne. Herudover findes der sporstoffer af bl.a. magnesium, natrium, kalium, titan og mangan i oxidforbindelser. Produktet efter de to opvarmninger kaldes for klinker, som du kan se i figur 29.

Eksempler på kemiske forbindelser i cementklinker kan du se i figur 30.

Som nævnt ovenfor indeholder cement også små mængder af andre metaloxider. Hvis du vil bestemme den præcise kemiske sammensætning af fx mineralet alit, kan du anvende analysemetoden røntgenfluorescens. Her bestråles prøven med røntgenstråling, hvilket får atomerne i materialet til at udsende fluorescensstråling, der er karakteristiske for de enkelte grundstoffer. Du kan forestille dig det som et fingeraftryk af hvert grundstof. Denne stråling bruges til at identificere og bestemme koncentrationen af de grundstoffer, prøven indeholder. Metoden er særlig velegnet til faste materialer som mineraler, metaller og byggematerialer. Afhængigt af de råmaterialer, der indgår i fremstillingen, kan den kemiske formel for alit derfor variere en smule. Et eksempel kan være:

Ca_2,9Si_0,95Mg_0,06Al_0,04Fe_0,03P_0,01Na_0,01O₅

Dette præcise støkiometriske forhold 2,9 : 0,95 : 0,06 : 0,04 : 0,03 : 0,01 : 0,01 : 5 er nok noget mere kompliceret, end du er vant til. Bare tag fx vand (H₂O), hvor det støkiometriske forhold mellem atomerne er 2:1.

Klinkerne finmales herefter til et fint pulver, og afhængig af hvilken produkttype, der ønskes, tilsættes en mindre mængde af andre stoffer som gips, der bremser hydratiseringsprocessen (se næste trin). Dermed kan du som forbruger nå at placere det, hvor det skal bruges, inden det størkner.

De næste to trin sker ude hos forbrugeren.

2. Hydratisering

Når de knuste klinker, som overvejende består af alit, blandes med vand, sker der en hydratisering, som er en række kemiske reaktioner, som kort kan beskrives som en opløselighedsreaktion og en efterfølgende udfældningsreaktion, hvor de opløste ioner fra alit reagerer med vand. I figur 31 kan du se, hvordan cementpulver bliver til en tyk blanding, når vand tilsættes, og at den våde cement herefter kan størkne og hærde uanset, om den befinder sig over eller under vand.

I cementen dannes nye kemiske forbindelser, bl.a. calciumsilikathydrat (C-S-H) og calciumhydroxid:

(CaO)₂(SiO₂)∙2H₂O(s) er en af mange typer C-S-H, idet CaO/SiO₂ og H₂O/SiO₂ forholdene kan variere for denne fase. Calciumhydroxid, (Ca(OH)₂), er en meget stærk base og kaldes af cementindustrien for portlandit, når det dannes i hydratiseret cement. Reaktion (19) sker i 3 trin, hvor der i første trin først frigives calciumioner og hydroxid, når alit opløses:

Efterhånden som alit går i opløsning, sker de to andre reaktioner. I andet trin mættes opløsningen efterhånden med calciumioner og hydroxid, og det udfældes:

Parallelt med dette trin udfældes også C-S-H:

Jo længere tid der går, jo mere C-S-H udfældes der. Det betyder, at ligevægt (19a) ifølge Le Chateliers princip forskydes mod højre og opløses. I den færdige, hærdede cement er der ca. ¾ C-S-H og ¼ portlandit.

Fælles for C-S-H-typerne er, at de er den styrkegivende del i cement. Det er limen, der holder det hele sammen. Portlandit er med til at holde miljøet i den hærdede cement stærkt basisk. pH ligger typisk omkring 12,5–13. Det betyder, at cementen kan beskytte sig selv mod nedbrydning og samtidig stabilisere andre reaktioner, der sker under hærdningen.

Portlandit fungerer som et slags kemisk reservoir for calciumioner (Ca²⁺), som er nødvendigt for at danne C-S-H. Samtidig skaber den høje pH, som portlandit giver, et beskyttende miljø for det jern, der findes i byggematerialer som fx beton med indlagt jern (armering). Under disse basiske forhold dannes et meget tyndt og stabilt jernoxidlag på jernets overflade, bestående af jernoxider og -hydroxider. Dette lag virker som en barriere, der forhindrer jernet i at ruste.

3. Carbonatisering

Det faktum, at cement kan binde luftens carbondioxid, gør cement til en CO₂-fanger. Men det ødelægger cementen, og den taber styrke, hvilket kan have uheldige konsekvenser, som du kan se i figur 32. Denne carbonatisering, som CO₂-fangsten i cement kaldes, sker over tid:

Måske har du fået den tanke, at det ikke er helt skidt, at beton kan bruges som CO₂-fanger. Lad os prøve at lave et lille regnestykke:

1. Vi antager, at 50% af udtjent beton kan genanvendes, og herfra kan man isolere ca. 75% af den hydratiserede cement.
2. Ved at knuse cementen i små stykker, øges overfladearealet, så det kan binde mere carbondioxid (se figur 20).
3. Ved at bruge røggassen fra punktkilder til carbonatisering af hydratiseret cement, hvor koncentrationen af carbondioxid er på 10-20%, er det estimeret, at ca. 300.000 t CO₂/år kan fanges alene i Danmark, hvis antagelsen i punkt 1 er korrekt.
4. Det svarer til ca. 20% af CO₂-udledningen fra den danske cementproduktion.
5. Ved at opskalere denne proces til at dække 50% af alt udtjent beton i hele verden, kan man fange ca. 1% af den menneskeskabte CO₂-udledning.

Produktionen af cement og de efterfølgende hærdningsprocesser viser tydeligt, hvordan calciumforbindelser indgår i en række kemiske reaktioner, der både frigiver og optager carbondioxid. Samtidig er det netop disse reaktioner, der giver cement sin styrke – men også gør den sårbar over for nedbrydning og carbonatisering. For at forstå cementens rolle i det globale kulstofkredsløb og dens potentiale som CO₂-fanger, kan man betragte processerne i et større perspektiv: den såkaldte kalkcirkel, som er vist i figur 33.

De tre trin i kalks livscyklus viser, hvordan både produktionen af cement og de efterfølgende kemiske processer frigiver og optager carbondioxid. Især under cementproduktionens calcineringsproces udledes store mængder af gassen, mens carbonatiseringen af beton under normale forhold kun binder en mindre del igen. Derfor handler en væsentlig del af den moderne cementforskning om at mindske CO₂-aftrykket enten ved at udnytte alternative råmaterialer, forbedre reaktionernes energieffektivitet eller ændre sammensætningen af selve cementen.

Alle disse løsninger kræver, at man forstår cementens kemi i detaljer. Det er netop det, professor Jørgen Skibsted fra Aarhus Universitet arbejder med. Han undersøger, hvordan man kan ændre på de kemiske processer i cementen, så der udledes mindre carbondioxid, samtidig med at cementen stadig bliver stærk og kan holde i mange år.

Når forskere som Jørgen Skibsted bruger faststof NMR, udnytter de nogle særlige egenskaber ved atomkerner, men faktisk er det kun bestemte typer af atomkerner, der kan studeres. Det handler om, kernens sammensætning af protoner og neutroner, og om de tilsammen giver et såkaldt kernespin. I den næste opgave skal du finde ud af, hvilke isotoper der kan studeres med NMR-spektroskopi, og hvorfor netop de fungerer som små magneter i det stærke magnetfelt.

Som du har set, kan carbondioxid fanges på flere måder. I laboratoriet sker det ofte kemisk, fx med aminer, der danner bindinger til CO₂-molekylerne, mens cement og beton kan binde carbondioxid som en del af deres nedbrydningsprocesser. Men CO₂-fangst behøver ikke kun foregå i kemiske reaktorer eller på fabrikker. I næste afsnit ser du samspillet mellem kemi og innovation, hvor et nyt og spændende forskningsprojekt viser, at teknologien også kan integreres i de steder, hvor vi i forvejen bruger store mængder energi.

3.3 En innovativ ide til at køle klimaet ned

Det nye, innovative skridt er at tænke fangst og anvendelse ind der, hvor vi i forvejen flytter store mængder luft og vand og har adgang til strøm. Store datacentre, som huser millioner af computere, bruger enorme mængder energi. Energien bruges ikke kun til drift, men også til køling. For at undgå overophedning cirkuleres store mængder vand i køletårne, hvor det afgiver varme til omgivelserne. Forskere har fået øje på, at disse køletårne faktisk kan bruges til langt mere end blot at fjerne varme: de kan også fange CO₂ fra luften!

Her kombineres ekspertise fra en bred vifte af fagområder som kemi, fysik, matematik og ingeniørvidenskab for at udvikle og skalere systemet til CO₂-fangst. Først får du en kort introduktion til, hvordan køletårne virker.

Koldt vand løber i et lukket system af rør hen over de mange processorer og varmes op samtidig med, at processorerne køles ned. Herefter løber det varme vand hen til køletårnet vist i figur 36. Inde i køletårnet er der placeret en række vanddyser, som sprøjter det varme vand ud i helt små dråber, så overfladearealet er størst muligt. Dråberne afkøles af den kølige, tørre luft, der suges ind i køletårnet fra omgivelserne, mens de falder mod bunden, hvor det afkølede vand opsamles og sendes tilbage til processorerne.

Undervejs fordamper lidt af vandet, og i den proces optager det varmeenergi fra omgivelserne, hvilket kaldes fordampningsvarme. Når en lille del af vandet fordamper, fjerner det dermed varme fra resten af vandet. Det fungerer faktisk lidt som, når du sveder. Når sveden fordamper fra huden, tager den varme med sig, og du bliver kølet ned.

Forskere verden over arbejder på at udvikle helt nye materialer, der kan gøre CO₂-fangst og -omdannelse endnu mere effektiv. I 2025 gik Nobelprisen i kemi til Richard Robson, Susumu Kitagawa og Omar Yaghi for deres udvikling af metal-organiske gitterstrukturer (MOF’er) – materialer, der fungerer som superporøse svampe, som kan fange, lagre og endda omdanne carbondioxid til værdifulde kemikalier. Du kan læse mere om, hvordan disse materialer virker, og hvorfor de kaldes ’molekylære svampe’, i faktaboksen ’Nobelpris og molekylære svampe’ her (link følger).

I stedet for blot at lagre carbondioxid kan gassen altså bruges som råvare i nye kemiske processer, hvilket gør den til en værdifuld ressource i den cirkulære kemi, hvor drivhusgasser bliver til byggesten i nye materialer og brændstoffer.

3.4 En bæredygtig carbonøkonomi

I 2023 indeholdt 95% af alle menneskeskabte produkter fossile brændstoffer. Det er fx din mobil, dine sko, maling, medicin, din cykel.

Det er derfor vigtigt at finde alternative kilder til carbon, der kan erstatte de fossile brændstoffer. En oplagt mulighed er carbondioxid fra luften, som findes i enorme mængder og dermed kan bruges som byggesten i kemiske reaktioner for at producere nogle af de udgangsstoffer for de menneskeskabte produkter, du har kigget på i opgave 24. For at udnytte den fangede og lagrede carbondioxid som ressource kræver det dog, at man tilfører energi, fordi CO₂-molekylet som tidligere nævnt er meget stabilt. For at denne proces kan indgå i en bæredygtig carbonøkonomi, skal den nødvendige energi komme fra grønne, vedvarende energikilder som sol, vind eller vandkraft. Dette kan du se opsummeret i figur 38.

I dag arbejdes der på at gøre reaktionerne fra carbondioxid til brugbare kemikalier mere effektive ved at udvikle nye katalysatorer, som kan styre, hvilke produkter der dannes, og samtidig sænke energiforbruget. Du kan læse om, hvad katalysatorer er og hvorfor de bruges i temaet ‘Power-to-X og katalyse‘.

Udviklingen af metoder til at kunne omdanne carbondioxid til byggesten, som kan bruges i fremstillingen af brugbare kemikalier og brændstofferer i fuld gang. Her spiller fotokatalyse og elektrokatalyse en central rolle. Du kan lære mere om elektrolyse her.

I CO₂-molekylet er carbon på sin mest oxiderede form og har oxidationstal +IV. Ved hjælp af elektricitet kan carbondioxid reduceres til f.eks. carbonmonoxid, myresyre eller methanol, der kan indgå som byggesten i nye kemikalier. I figur 39 kan du se forskellige produkter fra reduktion af carbondioxid. Hvis du ser godt efter, kan du se, at alle 5 produkter kun indeholder ét carbonatom (1C-produkter). Det er nemmere at lave 1C-produkter, fordi man kun skal bryde bindinger i carbondioxidmolekylet. For at lave C₂-produkter eller større (C₂₊-produkter) skal man derudover danne en ny C–C-binding, og det kræver både mere energi og en meget specifik katalysator. Et eksempel på et C₂-produkt er ethen. Der er store fordele ved at producere C₂-produkter, da molekylerne har et højt energiindhold og en høj markedspris. Netop ethen bruges i meget store mængder til produktionen af plastik og andre kemikalier, som indgår i din vandflaske eller din hovedpinepille.

I figur 39 kan du se, at der er angivet et specifikt antal elektroner, der skal til for at reducere carbondioxid til de viste produkter. Nedenfor kan du se delreaktionerne både for reduktionen af carbondioxid og oxidationen af vand, som sker samtidig. Afhængigt af forsøgsbetingelserne og den valgte katalysator kan forskerne bestemme, hvilket produkt der kommer ud. Men for at gennemføre elektrolysen, skal den opsamlede carbondioxidgas opløses i vand, som er ligevægt (7), som du har mødt flere gange.

Produktion af carbonmonoxid

Reduktion af carbondioxid:

Oxidation af vand:

Da der optages 2 elektroner i delreaktion (29a) og afgives 4 i delreaktion (29b), skal alle koefficienter i delreaktion (29a) ganges med 2, før de to lægges sammen. Dermed bliver den samlede redoxreaktion:

Produktion af myresyre (methansyre):

Reduktion af carbondioxid:

Oxidation af vand (samme som (29b)):

Før de to delreaktioner lægges sammen, tages der højde for forskellen i antal elektroner. Dermed bliver den samlede redoxreaktion:

Produktion af formaldehyd (methanal):

Reduktion af carbondioxid:

Oxidation af vand (samme som (29b)):

Før de to delreaktioner lægges sammen, tages der højde for forskellen i antal elektroner. Dermed bliver den samlede redoxreaktion:

Produktion af methanol:

Reduktion af carbondioxid:

Oxidation af vand (samme som (29b)):

Før de to delreaktioner lægges sammen, tages der højde for forskellen i antal elektroner. Dermed bliver den samlede redoxreaktion:

Produktion af methan:

Reduktion af carbondioxid:

Oxidation af vand (samme som (29b)):

Før de to delreaktioner lægges sammen, tages der højde for forskellen i antal elektroner. Dermed bliver den samlede redoxreaktion:

Du skal nu møde en forsker, Kirstine Nygaard Kolding, der under sin ph.d. hos adjunkt Alonso Rosas-Hernández på det Interdiciplinære Nanoscience Center og Institut for Kemi på Aarhus Universitet, har arbejdet med netop at bruge carbondioxid som byggesten.

3.5 Kemisk ligevægt er nøglen til fremtidens CO₂-løsninger

Gennem dette tema har du set, hvordan kemisk ligevægt spiller en central rolle i alt fra carbondioxids naturlige udveksling mellem atmosfære og hav til teknologier, der kan fange og omdanne gassen. Ligevægtene i havvand bestemmer, hvor meget carbondioxid der kan opløses, hvordan pH påvirkes, og hvorfor havforsuring opstår. De samme principper går igen i forskningsfortællingerne: i aminbaseret fangst, i cementens hydratisering og carbonatisering og i elektrokemisk CO₂-omdannelse, hvor ligevægte forskydes med spænding, katalysatorer og pH.

At forstå og kunne styre disse ligevægte er helt afgørende for fremtidens løsninger. Kemikere arbejder i dag både på at reducere CO₂-udledningen og på at gøre gassen til en ressource ved at omdanne den til brændstoffer, kemikalier og byggematerialer. Forskere udvikler nye materialer, fra skræddersyede metalkatalysatorer til porøse MOF’er, og undersøger, hvordan carbondioxid kan bindes, frigives eller aktiveres mere energi-effektivt. Samtidig findes der industrinære tilgange, hvor cementtyper, nye produktionsmetoder og accelereret carbonatisering bidrager til at nedbringe sektorens klimaaftryk.

Udviklingen af fremtidens CO₂-teknologier vil kræve et tæt samspil mellem kemi, fysik, materialeforskning og ingeniørvidenskab. Men uanset om carbondioxid fanges i havet, i cement, i aminer eller i køletårne, eller om den omdannes elektrokemisk til nye molekyler, bygger det hele på én fælles grundsten: evnen til at forstå og manipulere kemiske ligevægte. Samtidig rækker arbejdet langt ud over laboratoriet, for nye teknologier bliver kun til virkelighed, hvis de kan forklares og formidles tydeligt. Derfor spiller gode danskkundskaber også en central rolle. Uden klar kommunikation forstår politikere, virksomheder og borgere ikke løsningerne, og så bliver de heller ikke taget i brug. Det er netop samspillet mellem naturvidenskab og stærk formidling, der gør det muligt at omsætte kemisk viden til reel samfundsforandring.

Du har nu fået et indblik i, hvordan denne grundlæggende kemi både forklarer naturens egne processer og gør os i stand til at udvikle teknologier, der kan forme en mere bæredygtig fremtid. I sidste ende handler det om at se carbondioxid ikke kun som et klimaproblem, men som en byggesten, vi kan arbejde aktivt med.