Kemistens metoder och redskap

 

Att arbeta som kemist innebär att studera och undersöka olika kemiska föreningar. För att arbetet ska lyckas är det viktigt att vara systematisk. Det betyder att en kemist måste ha struktur i arbetet och hålla ordning på det som görs.

En viktig uppgift kemister arbetar med är att ta reda på vilka ämnen som finns i ett prov. Ett prov är en liten mängd av något som ska undersökas. Det kan vara Polisen som vill hitta bevis som binder en misstänkt person till ett brott. Det kan vara ett företag som vill ta reda på hur rent ett material är. Det kan vara en person som vill veta om vattnet i brunnen där hemma är drickbart.

Kemistens uppgift kan vara att ta reda på vilka kemiska ämnen som finns i provet. Det kan också handla om att ta reda på hur mycket det är av varje ämne. Det kallas för haltbestämning. Kemisten gör då en kemisk analys av provet. Det innebär att provet först delas upp i dess olika delar. Därefter undersöks varje del för sig.

Att separera innebär att dela upp

Ett annat ord för att ”dela upp” är att separera. Valet av separationsmetod beror på vilken typ av blandning som provet består av.

En av de enklaste blandningarna är en uppslamning. Varm choklad är ett exempel på en uppslamning. En uppslamning kännetecknas av att det är större partiklar som flyter runt i vätskan och som faller till botten om vi låter blandningen stå utan omrörning. Det kallas för att partiklarna sedimenterar. Genom att hälla av vätskan separeras den från partiklarna. Denna separationsmetod kallas för dekantering.

 

Om kornen är små och inte sjunker till botten kan går det att separera dem från lösningen genom filtrering. Ett filter innehåller små hål som en lösning kan passera men där korn som är större än filtrets hål hålls kvar.
 

 

En tepåse är ett exempel på ett filter. Tebladen är stora och kan inte passera filtret, vilket telösningen kan. Drycken te är en lösning som består av joner och molekyler som det varma vattnet, lösningsmedlet, löst upp från tebladen. Olika tesorter ger olika blandningar av joner och molekyler. Om du häller socker i teet, så kommer sockret att lösa sig och ge teet en söt smak. En lösning är genomskinlig och dess beståndsdelar kan inte separeras genom filtrering. För att separera joner och molekyler i lösning behövs andra metoder och tekniker som indunstning, kristallisation, destillation och kromatografi.

Indunstning separerar fasta ämnen i lösning från vätskor

Om du låter ett glas med vatten stå på diskbänken tillräckligt länge avdunstar allt vatten. Glasets insida är då täckt av en tunn vit hinna. Den vita hinnan består i huvudsak av salter som var lösta i kranvattnet.

Genom att låta vatten, eller något annat lösningsmedel, avdunsta går det att öka halten av upplösta ämnen. Det kallas för att koncentrera en lösning. Det går också att utvinna fasta ämnen som varit lösta i lösningsmedlet genom att avdunsta lösningsmedlet. Det kallas indunstning och kan påskyndas med hjälp av värme.

Indunstning används i stor skala för att utvinna salt ur havsvatten i så kallade saliner. En salin är en stor saltgård som består av grunda bassänger där havsvatten släpps in och med hjälp av sol och vind avdunstar vattnet. Allt eftersom vattnet dunstar slussas den mer koncentrerade saltlösningen till mindre bassänger. Det upprepas flera gånger tills saltet slutligen fälls ut som kristaller i den minsta bassängen.

Kristallisation bildar och separerar fasta kristaller ur lösning

Kristallisation kan användas för att rena fram kemiska ämnen. Bildade kristaller separeras från en lösning genom filtrering. De löses sedan upp igen och kristalliseras flera gånger. Det kallas för omkristallisation. På så vis minskar risken att orenheter följer med i processen. För att framställa rena kristaller av hög kvalitet är det är viktigt att kristallerna får tid att bildas långsamt för att kunna växa sig stora.

Destillation separerar vätskor med olika kokpunkt

Flyktighet beskriver hur lätt ett ämne avdunstar och förångas. Lättflyktiga ämnen kännetecknas av att de förångas vid förhållandevis låg temperatur. Olika ämnens förmåga att förångas vid olika temperaturer kan utnyttjas för att separera dem. Det kallas för destillation.

 

Vodka, whisky och rom är exempel på alkoholhaltiga drycker som tillverkats genom destillation. Etanol kokar vid 78 °C och vatten vid 100 °C under normalt lufttryck. När en blandning av alkohol och vatten värms upp kommer etanolen att förångas tidigare än vattnet. När ångan kondenserar igen har alkoholhalten höjts. Många typer av sprit innehåller omkring 40 % etanol. Det är olagligt att själv tillverka sprit genom destillation.

Destillerat vatten innehåller låga salthalter, jämfört med kranvatten, då saltet inte förångas i destillationsprocessen.

 

Ett oljeraffinaderi är ett exempel på en destillationsprocess i mycket stor skala. Råolja är en mörk vätskeblandning av kolväten som bildats av förmultnande växter och djur och som idag utvinns från berggrunden. Råolja renas och förädlas i ett raffinaderi. Där värms råoljan till omkring 400 °C så att alla kolväten blir gasformiga. De olika ämnena i oljan delas upp i en destillationskolonn. En destillationskolonn delar upp flyktiga ämnen efter deras kokpunkt. När ångorna stiger uppåt i destillationsanläggningen kyls de ner och kondenserar till vätska igen. Ju tidigare de kokar desto högre upp kommer de i destillationskolonnen. Gasol, som kokar vid lägst temperatur kommer ut i toppen. Bensin, kommer ut ganska högt upp, flygbränsle lite lägre ned, följt av diesel och brännolja. Det som blir kvar kallas för bitumen och används som asfalt på vägarna.

Vätskekromatografi separerar fasta ämnen lösta i en vätska

Bryggt kaffe består precis som bryggt te av varmt vatten som under bryggningsprocessen löst upp fasta ämnen från kaffebönorna. I det bryggda kaffet finns bland annat ämnet koffein. För att bestämma halten koffein i te eller kaffe används en teknik som kallas vätskekromatografi.

I vätskekromatografi utnyttjas olika ämnens löslighetsegenskaper i olika vätskor samt deras förmåga att fastna på olika ytor.

Ordet kromatografi härstammar från grekiska där ”chromatos” betyder färg och ”grafi” betyder skrift. Kromatografi innebär ”att skriva i färg”, med andra ord att separera färger. Färgen i en svart tuschpenna består av en blandning av olika färger. Det går att separera dessa färger genom en enkel vätskekromatografisk metod som kallas papperskromatografi. Först sätts fläckar av färgen på en bit papper. Därefter sänks papperet ner i en behållare vars botten är täckt med vatten. Vattnet sugs långsamt upp av pappret med hjälp av kapillärkrafter. Färgämnena från tuschpennan kommer att lösa sig i vattnet och röra sig genom papperet. Beroende på färgämnenas olika kemiska egenskaper så löser de sig olika bra i vattnet och binder olika hårt till cellulosan i papperet. Färgerna kommer därför att färdas olika snabbt genom papperet, separeras och framträda i en färgskala.

 

För effektivare vätskekromatografiska separationer används en vätskekromatograf. I vätskekromatografen finns ett metallrör som kallas kolonn. Kolonnen innehåller små partiklar av kiseldioxid. Genom kolonnen pumpas ett lösningsmedel som bär med sig provet. När kaffet ska analyseras injiceras en liten volym av kaffe i kolonnen och lösningsmedlet transporterar molekylerna i kaffet genom röret. Beroende på substansernas kemiska egenskaper kommer de att dröja sig kvar i partiklarna i kolonnen olika länge. När substanserna kommer ut ur röret kan de detekteras och resultatet analyseras med ett datorprogram. På skärmen visas ett så kallat kromatogram. Varje topp i kromatogrammet representerar en löst molekyl i kaffet. Topparnas storlek indikerar hur mycket av respektive molekyl det finns i kaffet. Koffeinhalten kan på så vis bestämmas.

Denna teknik är mycket vanlig vid analys av livsmedel, läkemedel, miljöprov och kroppsvätskor som blod och urin.

För att sedan ta reda på vilken substans varje topp består av används ofta masspektrometri. Det gäller särskilt om det är krav på hög tillförlitlighet på analysresultatet. Provresultatet kan till exempel användas för att stänga av en idrottare för dopning eller fälla någon för allvarliga brott.

Gaskromatografi separerar gasformiga ämnen

För att analysera ämnen som lätt kan förångas används en gaskromatograf. En gaskromatograf är ett instrument som används för att mäta hur mycket och hur många olika organiska flyktiga ämnen det finns i ett prov. Gaskromatografen består av en ugn i vilken ett långt tunt rör av kiseldioxid placerats. Detta rör kallas kolonn. Kolonnens väggar är täckta av ett material som molekylerna i provet kan fästa till. Provet injiceras i gaskromatografen och förångas i en varm kammare. Sedan förs det vidare in på kolonnen med hjälp av en annan gas. Ofta används kvävgas. Beroende på ämnenas kokpunkt och kemiska struktur kommer de att passera genom kolonnen olika snabbt.

 

För att detektera de ämnen som provet innehåller används en detektor. Detektorn reagerar och ger en elektrisk signal på ämnen som kommer ut från kolonnen. Denna signal övervakas över tiden och en graf som kallas för ett kromatogram ritas upp. Från denna graf går det att utläsa hur lång fördröjningstiden för varje substans i kolonnen är. Fördröjningstiden kan sedan jämföras med fördröjningstider för kända substanser.

 

 

Masspektrometern ger molekylmassan

 

En masspektrometer är en detektor som ger mer information om substanserna som orsakar signalen. När molekyler injiceras i en masspektrometer passerar de först en joniseringskälla. Molekylerna omvandlas till joner och accelereras in i masspektrometern med hjälp av ett elektriskt fält. Joner av olika storlek kommer att ”flyga” olika snabbt i det elektriska fältet. Denna process bör ske i vakuum så att jonerna inte kolliderar med luftmolekyler. Stora vakuumpumpar är därför anslutna till en masspektrometer. Jonernas slutdestination är en detektor som känner av när en jon träffar den och ger upphov till en signal. Ju större laddning och mindre massa en jon har desto snabbare flyger de genom masspektrometern. Sammanfattningsvis ger en masspektrometer kemisten information om ämnens molekylmassa och ibland annan information som är användbar för att ta reda på vilket ämne det är frågan om.

Röntgenkristallografi och andra tekniker kan berätta mer om den kemiska strukturen

Trots att atomer är mycket små finns det sätt att faktiskt se dem. Röntgenkristallografi bygger på att röntgenstrålar får studsa mot atomerna i en kristall och det mönster som bildas när strålarna kommer ut ur kristallen igen fotograferas av. Efter mycket datorarbete är det möjligt att konstruera en modell för hur atomerna är ordnade inuti kristallen. Kristallografi är en av de mest använda metoderna inom kemi, biokemi och materialforskning.

Det finns många andra tekniker som används för att ta reda på den kemiska strukturen för ett okänt ämne. Några av de vanligaste är:

•Kärnmagnetisk resonansspektroskopi (NMR) som ger information om hur väteatomer och kolatomer är bundna till varandra i en molekyl.

•Infrarödspektroskopi (IR) som ger information om vilka kemiska grupper som finns i en molekyl.

•Ultraviolettspektroskopi (UV) som används för att analysera vissa kemiska grupper men också för att bestämma halter av olika kemiska ämnen.

Elektronmikroskopi kan i vissa fall kan ge mycket detaljerade bilder av enskilda molekyler och atomer på en yta.

 

 

Genom att pussla ihop all information får vi reda på vilken substans det är

Efter att alla analyser är gjorda pusslar kemisten ihop informationen. Ofta går det att med hög tillförlitlighet säga vilket eller vilka ämnen som ingår och hur mycket det finns av dessa i en blandning.

Med hjälp av syntes kan kemister tillverka nya ämnen

För att ta fram nya molekyler sätts mindre molekyler ihop med kemiska reaktioner. Det är ungefär som legobitar som byggs ihop till rätt form. Bitarna måste passa ihop för att nya kemiska bindningar mellan atomer ska bildas och för att den nya molekylen ska få rätt form. Detta kallas för organisk syntes och görs på ett laboratorium.

 

Det är viktigt att tänka på att de kemiska processer som formas av naturen följer exakt samma regler som den kemi som utvecklas av kemister i ett laboratorium.