Vatten Fasvergngar och Lslighet Alla bilder tagna frn

Vatten Fasövergångar och Löslighet Alla bilder tagna från Wikipedia under GNU-licens. Bildernas upphovsmän noteras med deras wikipedia-identitet

Bilder tagna av, Janine Chedid, Andreas Tille, Henryk Żychowski, Richard Ling, Markus Schweiss & Malene Thyssen Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Vatten • Täcker ca 70% av jordens yta – Volym? • Viktigt för regleringen av jordens temperatur • Vitalt för de flesta former av liv • Människokroppen består till största delen av vatten Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date Bilden tagen av flagstaffotos. com. au

Dagens Agenda • Vattens egenskaper • Vatten – rent kemiskt • Vattens fasövergångar – Frysning – Kokning • Vatten som lösningsmedel • Vattens interaktion med vanliga livsmedelskomponenter Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Vatten, egenskaper • Förekommer vid rumstemperatur som – Smältande fast form (is) – Flytande form – Gasform (vattenånga) Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Vatten, egenskaper • Ett riktigt bra lösningsmedel • Hög ytspänning • Låg Viskositet – Lätt rinnande Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Vatten, rent kemiskt • En molekyl bestående av tre atomer • 1 syre, 2 väte • Stor eller liten? Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Vad detta borde generera • Molekylers interaktion med varandra beror på deras storlek – Stora molekyler “håller hårdare tag” i varandra • Molekyler som håller hårt i varandra har en högre kokpunkt • Molekyler med jämförbar storlek till vatten har betydligt lägre kokpunkt – Ammoniak • Kokpunkt -33, 34 C Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Men… • Kring varje atom så finns det elektroner som cirkulerar – Kommer i från atomerna • Syreatomen attraherar dessa elektroner kraftigare än vätet • Detta gör att vattenmolekylen blir polär Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Vätebindning • Polära molekyler binder till varandra genom att de motstående “laddningarna” attraheras – Jämför med en magnet – Kallas polär bindning • Polariteten då just väte binder till en kraftigt elektronattraherande atom är väldigt stor, vilket gör att den polära bindningen blir väldigt stark – Kallas vätebindning Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Vätebindningsnätverk • Även geometrin hos vattenmolekylen är viktig • Vatten har på grund av placeringen av väteatomerna i molekylen möjlighet att bilda fyra vätebindningar per molekyl – Unikt för molekyler av denna storlek Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Vätebindningsnätverk • Detta nätverk gör att en vattenmolekyl trivs extremt bra i sällskap av andra vattenmolekyler • Nätverket är dock inte statiskt utan bindningar bildas och återbildas hela tiden – Detta gör att vatten flödar som en vätska vid temperaturer över 0 C Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Effekt av vätebindningar • En hög kokpunkt • Vatten kan också absorbera mycket energi – Hög värmekapacitet • Jämför hur lång tid det tar för en stekpanna att bli varm jämfört med att koka upp vatten. • 10 ggr så mycket energi krävs för att värma vatten en grad jämfört med att värma järn 1 grad • Ännu mer energi måste tas upp när vatten omvandlas till ånga • Samma energi fås tillbaka igen när ångan kondenserar Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Fasövergångar • Vatten kan som bekant förekomma i tre olika faser – Fast – Flytande – Gas • Det som bestämmer övergångarna är energin hos de enskilda molekylerna • Värme orsakar vibrationer hos molekylerna – Kallas termisk energi Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Fasövergångar • När den termiska energin genererar vibrationer som är större än vad vätebindningarna kan hålla så kokar vattnet. Flytande Temperatur Gas • Vid sjunkande temperatur så minskar vibrationerna och en optimal vätebindningsstruktur kan tillslut antas vid isbildning – Varje molekyl binder till fyra andra – Kristallin fas Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Frysning • Densiteten för vatten är högre för lägre temperaturer – Eftersom vibrationerna för de enskilda molekylerna minskar får man plats med mer molekyler per volymenhet Fallande Temperatur Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Frysning • Kristallstrukturen för is kräver dock ett visst avstånd och en viss konformation mellan vattenmolekylerna – Detta för att anta optimal vätebindningsform – Detta avstånd gör att densiteten för vatten i fast form är lägre än för flytande from vid låga temperaturer • Ovanligt • Vatten har som högst densitet vid 4°C Frysning • Vatten expanderar vid frysning Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Underkylning • Iom att det krävs en inackordering i ett nätverk för den enskilda vattenmolekylerna vid frysning så krävs det väldigt låg energi för att iskristaller ska bildas spontant • Vatten kan vara underkylt till under -40°C • Det som krävs är en kristalliseringskärna som iskristallen kan börja växa utifrån Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Påverkan av fryspunkt • Som tidigare nämnts så krävs det väldigt låga energier hos varje enskild vattenmolekyl för att kunna anta ett kristallint nätverk av bindningar – Om något hindrar bildandet av detta nätverk så krävs ännu lägre energier • Fryspunkten för vatten sjunker alltså då någonting är löst i vattnet • Saltning av vägar vid vintertid Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Påverkan av fryspunkt • Hur påverkar trycket fryspunkten? – Vatten expanderar vid isbildning • Högt tryck motverkar detta • Sänker därför fryspunkten – Tvärt om för ämnen som icke expanderar • Flytande kväve Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Frysnings påverkan på livsmedel • Vatten expanderar vid kristallisering till is • Cellväggar i kött och grönsaker kan sprängas vid frysning – Innehållet rinner ut vid tining • Vätska förloras Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Kokning • Förångning av vatten är en aning komplicerat • Vatten har hög värmekapacitet – Krävs mycket energi för att öka vibrationerna av de enskilda molekylerna • Detta för att större avstånd mellan molekylerna motverkar vätebindningarna • Vätebindningsnätverket ger dessutom vatten en ovanlig hög ångbildningsvärme – Vätebindningarna måste bryts helt för att låta molekylerna gå över till gasfas Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Ångbildningsvärme • Den energi som absorberas då ett ämne förångas utan ökning i temperatur • Vattens höga ångbildningsvärme drar vi nytta av vid svettning Bilden tagen av Bibikoff Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Ångbildningsvärme • När vatten kondenserar så frigörs samma energi som krävs vid förångning – Bastu vid 100°C – Handen i ånga • Effektivare sätt att tillaga mat på – Jämför med luft Bilden tagen av Mila Zinkova Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Ångtryck • “Viljan” av vattenmolekylerna att vilja övergå till gasfas kallas ångtryck • När ångtrycket är större än det omgivande trycket så förångas vattenmolekylerna – Ofta är det omgivande trycket från luften, dvs atmosfärstrycket Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Ångtryck • Tillräckligt Ångtryck förångning kan uppnås på två sätt för flytande vatten – Avdunstning • Genom “krockar” mellan vattenmolekyler så kan en enskild vattenmolekyl få tillräckligt med energi på bekostnad av andra molekyler – Sker vid temperaturer under kokpunkten och enbart vid ytan – Kokning • Energitillförsel gör att alla molekyler i systemet får tillräckligt med energi för att förångas – Förångning sker överallt i systemet – Det är denna temperatur som vi kallar kokpunkten Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Kokpunkt • Kokpunkten är tryckberoende!!! – Eftersom kokning sker när ångtrycket är större än omgivande tryck • Lägre omgivande tryck = lägre kokpunkt • Högre omgivande tryck = högre kokpunkt Bilden tagen av Soljaguar Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Kokpunkt • Högre höjd innebär lägre atmosfärstryck • Kokpunkten på toppen av Mount Everest är ca 69°C • Kan leda till vissa problem om man får för sig att laga mat under en promenad till toppen Bilden tagen av Pavel Novak Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Vatten som lösningsmedel Bilden tagen av Chris 73 Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Vad innebär att lösa • Inte en helt lätt definition • En molekyl av någon annan typ anser jag som löst i vatten om den enbart interagerar med vattenmolekyler • Dock kan även kluster av molekyler vara lösta om klustret enbart interagerar med vattenmolekyler Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Löslighet, vätebindningar • Vatten i flytande form består av molekyler bundna till varandra med starka polära vätebindningar • Detta innebär att vatten gärna löser substanser som interagerar väl med vätebindningsnätverket Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Lösning av Polära Molekyler • Inte bara vattenmolekylen kan ha en polarisering av sina elektroner – Många vanligt förekommande molekyler är polära • Vatten är ett bra lösningsmedel för dessa • Kallas hydrofila ämnen Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Löslighet polära molekyler • Vissa molekyler kan dessutom inkorporera sig i vattnets vätebindningsnätverk utan att allt för många vattenmolekyler behöver anpassa sig – Ännu bättre löslighet Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Apolära molekyler • En annan stor grupp av vanligt förekommande molekyler är dock apolära • Symmetri i molekylen gör att elektronerna är jämt fördelade och ingen polaritet uppstår • Alla delar av molekylen har neutral laddning • Kallas hydrofoba ämnen Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Apolära Molekyler • Kolväten – Stora molekyler av symmetriska kolväteföreningar – Bygger upp, bland annat, oljor och fetter Bilden tagen av Alex Ex Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Löslighet apolära molekyler • Eftersom en apolär molekyl är neutral så påverkar den inte vattenmolekylernas vätebindningsnätverk nämnvärt • Borde alltså kunna inkorporeras utan problem • MEN. Vatten interagerar mycket hellre med andra polära vattenmolekyler än med apolära molekyler – Apolära molekyler släpps inte in i nätverket – Löser sig inte i vatten Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Löslighetens temperaturberoende • Generellt så löser sig ämnen bättre vid högre temperaturer • Samtliga molekyler får högre termisk energi vilket gör att bindningarna mellan dom blir svagare – Gaser fasseparerar inte • Polariteten hos vattenmolekylen blir något lägre vid högre temperaturer. Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Exempel, löslighet av specifika livsmedel • Hur är vattenlösligheten för några av de vanligaste livsmedelskomponenterna? – – Fett Socker Stärkelse Proteiner Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Fett • Fetter är ett essentiellt livsmedel för människan – Animaliskt fett finns i tex ister och fiskolja – Mejerifett finns i mjölk – Vegetabiliskt fett finns i Raps och Soja • Fetter löser sig inte i vatten – Apolära kolväten • De kan dock smälta vid högre temperaturer • Ger ofta en smakrik och behaglig känsla av livsmedlet – Choklad som smälter i munnen Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Fasseparering • Vad händer om olja blandas med vatten? • Systemet separerar i två faser • Om kraftig blandning sker så kan små droppar av den ena fasen befinna sig i den andra – Detta kallas Emulsion – Systemet kommer dock sträva efter fasseparering • Snabb återställning vid blandning av vatten och olja Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Amfifila molekyler • En speciell grupp av molekyler har en löslighet både i olja och i vatten – Kallas amfifila ämnen – Hydrofilt ”huvud” – Hydrofob ”svans” • Används för att stabilisera emulsioner • Är också huvudkomponenten i tvätt och diskmedel Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Emulsioner • Med hjälp av amfifila molekyler så kan droppar av en fas i en annan stabiliseras • Vanliga förekommande emulsioner i kylskåpet är • Mjölk (fett i vatten) • Majonnäs (fett i vatten) • Smör (vatten i fett) Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date Bilden tagen av, Janine Chedid

Socker • Kolhydrater • Innehåller energi som kroppen har lätt att ta tillvara på – Snabbhöjning av blodsocker nivån • Andra energirika komponenter i vår föda görs om till glukos i kroppen innan energin kan skördas • Sockers nödvändighet i vår föda har belönat ämnet med en egen smakreceptor – sötma – Oftast förknippat med välbehag • Jämför bitterhet Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Socker • Glukos är en molekyl med en stark polaritet • Interagerar därför väl med vattens vätebindningar • Konformationen på glukos gör också att den kan inkorporeras nästan utan att störa nätverket alls – Ännu bättre löslighet Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Stärkelse • Sockerpolymer – Molekyl sammansatt av 1000 -tals glukosmolekyler • Produceras i växter som energireserv – Här lagras energi i form av socker – Växterna klumpar ihop stärkelsen i granuler • Förekommer i stora mängder t. ex. – Vete – Ris – Majs Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Stärkelse i vatten • Oskadade granuler löser sig inte i vatten – En aning märkligt • När temperaturen höjs så inkorporeras dock vatten i stärkelsenätverket och granulen sväller – Stärkelsen gelatinerar – Förtjockar en lösning kraftigt • Mjöl i vatten • Temperatur beroende – Gelatineringstemperatur mellan 55°- 70°C Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Protein • Proteiner finns i , i stort sett, alla livsmedel – Vital föda för oss människor då vi inte kan tillverka alla protein vi behöver själva • Behöver delar från proteiner som vi äter • Proteiner varierar i storlek men är ofta (väldigt)stora molekyler – Ihopsatta av olika aminosyror • 20 st kombineras i olika ordning till ett oändligt antal proteiner • Proteiner är de ämnen som utför “uppgifter” i människokroppen – Hemoglobin – DNA replikering Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Protein i vatten • Proteiner är stora molekyler som oftast kan anta olika konformationer – Proteinet “veckar” sig för att passa omgivningen • Proteiner har ofta båda polära och apolära delar – Verkar som amfifila molekyler • En del proteiner kan ha som syfte att bygga struktur eller liknande – Generellt inte lösliga i vatten • Hår, naglar • Gluten i växter – Ger bröd-deg dess struktur Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Summering • Vatten har unika egenskaper för en molekyl av den storleken – Beror på vätebindningar • Hög värmekapacitet • Expanderar vid kristallisering • Hög ångbildningsvärme • Vatten är generellt ett mycket bra lösningsmedel – Löser polära ämnen – Löser inte apolära molekyler • Vatten gillar vatten för mycket • Olika livsmedels interaktion med vatten resulterar i många av de egenskaperna som vi eftersträvar vid matlagning Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date