Karbonkjemi på Naturfag 1

Kort oppsummering av foredrag og øvinger på kurssamlingen i november 2017:
Tanja Barth, professor, kjemisk institutt.
Forelesning om organiske forbindelser, petroleumskjemi og nye energikilder.

Det finnes mer enn 7 millioner organiske forbindelser, bygget i hovedsak av grunnstoffene, C, H, og mindre mengder O,N og S.
Ett karbonatom kan binde 4 hydrogenatom, eller binde seg til et eller to andre C, og da holde tre, hhv to H, vi får karbonkjeder.

Kjedene er zik-zak-formet på grunn av negativitet i ladningene.
Noe mer om hydrokarbonene: Det enkleste er metan, med en C, deretter etan, propan, butan eller antall C-er. Med 4C er det flere muligheter for kombinasjoner, vi får isomere forbindelser, iso-butan. Til flere karbonatom, til flere mulige kombinasjonsmuligheter finnes det – med 10 blir det 75, med 20 er det 366319, med 40 mer enn 60 milliarder.
De første er gasser, så væske ved 25 grader, fra 20 C faste stoff. Hydrokarboner med tre C eler flere kan danne ringer. Med 5 eller 6 C blir slike strukturer stabile, som sykloheksan.
Stoffene i metanrekken er alkaner, de har bare enkeltbindinger. Er det med dobbeltbindinger, som er sterkere, får vi alkener. Nå kalles stoffene meten, eten osv. Bindingen er også mer reaktiv, det er lettere for andre stoff å ‘komme til’ og binde seg på alkenet. Det finnes også trippelbindingen, de er enda mer reaktive, vi får da metyn, etyn osv.
Om det knyttes til andre grunnstoff, får inn O, N eller S, får vi nye stoffer: alkoholer, organiske syrer med bare O, aminosyrer med O og N, med svovel i tillegg tioler – for eksempel.
Olje og gass er blandinger av organiske forbindelser. Hver forekomst har sin sammensetning. Olje som innegolder C6-C20 er mest fordelaktig økonomisk. Den mest utbredte teoiren om tilblivelsen er sedimentering av døde dyr og planter. Under trykk og høy temperatur dannes en reservoarbergart. Med fhv lav temperatur dannes nesten bare olje, ved høyere temperatur mer og mer gass. Oljene inneholder også mer og mindre andre stoffer og molekyler – svovel, alkoholer, organiske syrer, som man ikke ønsker. Svovelforbindelser må fjernes før bruk av hensyn til miljøet. Olje inneholder ‘kjemiske fossil’, rester av organiske forbindelser som klorofyll. Dette understøtter, beviser, teorien om at olje er dannet av organiske forbindelse.
Lett olje har en tetthet på 0,8, svært tunge oljer kan ha over 1, men i regelen flyter olje. Viskositet er definert som ‘motstand mot å flyte’. Tunge oljer flyter tyngre, har høy viskositet. Grenseflatespenning.mål på krfetene som virker i grenseflaten mellom to faser, sier noe om hvordan oljen vil fungere i emulsjoner eller på vannoverflaten. Fraksjonert destillasjon skiller oljekomponenentene, med gasser øverst og asfaltener nederst.
Hvilke energiressurse skal vi satse på i fremtiden? Hvor lenge kan vi fortsette å bruke olje?
Det er ulike modeller for når toppen er nådd i verdens oljeproduksjon, trolig vil det gå bratt nedover etter få år – eller muligens er vi over toppen allerede. I Nordsjøen er vi ved topp produksjon omtrent nå. Oljedirektoratet regner med at vi har vunnet ut 48% av alle reserver, inkludert det vi ikke har funnet enda.
Økningen i ettespørselen etter energi samtidig med fall i oljeproduksjonen, gir et gap som må fylles med andre energibærere. Det blir ettespørsel etter for eksempel biodiesel. Det går an å lage drivstoff til forbrenningsmotorer fra fornybare kilder., men man vil ofte nede på å bruke matplanter. Elektrisitet og biogass er alternativer, selv om det er ulemper også med disse. Etanol kan brukes, med er nå bare innblanding. Kan lages av bioavfall, men kan ikke dekke hele behovet. Hydrogen kan brukes, men det finnes ikke fritt i naturen, og må produsreres – energi er en energibærer, ikke en enerrgiklide. Nå lages mye av hydrogenet fra metangass, og da har man bare skilt ut C tidligere, og er like langt når det gjelder klimagassutslipp.

Lisbeth Glærum, overingeniør, kjemisk institutt
Kjemikalier på laboratoriet. Råd til skoler om behandling og oppbevaring.
Innkjøp; bruk en anerkjent leverandør. Kjøp bare det du trenger! Se at det er henvisning til datablad (på leverandørens nettside).
Lagre alt i originlaemballasje. Grupper lagres samme sted. inkompatible kj ikke på samme sted. Etter system oim vi bare har ett skap; faste stoff øverst, så organiske væsker, løsemidler, baser og syrer nedover.
Skal alltid være merket med innhold, konsentrasjon, pictogrammer, navn(person)og dato.Stoffkartotek med oversikt over alt som er i skapet, skal være på papir, og oppdateres. Påføre nye pictogrammer, kan kjøpe klistremerker. Merker etter regleverket REACH, CLP. Databladene har koder for faregrda, de første numrene viser fysisk fare.
Kaste kjemikaliene: avfallsforskriften. Begrense bruken, ikke kaste noe i sluken. Databladet gir opplysning om avfallsnummer; der hvert siffer sier noe om håntdering. Ut fra listen er det laget en norsk versjon med 4 siffer, alle stoff vi bruker på laboratoriet kan kjennes igjen fra denne listen. Avfall som skal leveres til selskapet skal være på et deklarasjonsskjema, som selskapet får på forhånd, sammen med boksen som er laget for dette. (rød boks)(sikker emballasje for transport, leveres fra selskapet).

Siv Kari Lauvset
Karbonkretsløpene
Det er 5 store reservoar for karbon på jorden: atmosfæren, biosfæren, litosfæren, pedosfæren, hydrosfæren. Hurtig utveksling i det korte kretsløpet, 20% utveksles hvert år, 5-10 år er det meste sirkulert. Så har vi ‘fått tak i’ karbonet som er i det langsomme kretsløpet. Der foregår sirkulasjonen egentlig over millioner av år, ultrlangsomt. Nå henter vi C derfra og bringer det inn i det korte kretsløpet, uten å bringe det tilbake. Menneskeskapte endringer: Mennesket lager ikke karbon og tilfører, men vi påvirker endringene i karbonkretsløpene. Vi ser at mengden av CO2 i atmosfæren øker, fra under 300 ppm før den industrielle revolusjonen, til 400 ppm nå. Selv om vi ser på atmosfæren for 800.000 år siden, fra iskjerneboringer , finner vi ikke nivåer over 300. Vi slipper ut ca 35 Gt CO2 / år. 91% er fra brenning av fossile ressurser, 9% fra landbruket. Fangst og utslipp fra naturlig biosfæren går i 0, og er ikke med i utslippstallene. Vi ser 44% igjen i atmosfæren, 31% i havet og 25% på land/biosfæren).
Mer om havet som CO2-sluk. Uten opptaket fra havet ville det vært 600 ppm i atmosfæren. Alt dette opptaket får konsekvenser i havet. Havet blir også varmere, de øverste 2000 meterne blir varmere og varmere, men vi ser også temperaturendringer i dyphavet i sør, 0,05grader siden 1960. Konsekvenser ser vi for eksempel på Great Barrier Reef. Korallene her lever i symbiose med en alge. Ved for høy temperatur dør algen, korallen blir hvit, det kalles bleking. Skjer dette ofte vil revet dø, og deler av GBF er nå dødt. Mer om kjemien bak havforsuringen. CO2 påvirker havet både fysisk, kjemisk og biologisk. I havet bindes CO2 i karbonsyre som går videre til bikarbonat, som gjør at havet kan ta opp mer enn atmosfæren. I tillegg blir mye tatt opp av planter og dyr i havet. Kjemisk prosess: Det dannes karbonation, som senker havets pH. Kalkskalldannende dyr får større vansker med å danne kalk. pH varierer også med temperatur, havet har høyere pH omkring ekvator (8,2) enn ved polene (7,9). I Norskehvaet er det observert endring på 0,004 per år i overflatelagene, mindre og mindre endring til lenger ned vi kommer. Forsuringen går dobbelt så raskt som i havene totalt. Det er helt tydelig at økning av CO2-nivået fører til lavere pH i havet, gj.snitt er nå 8.03. Sammenligne med pH i blodet, der en endring ut over 0,1 kan være dødelig. Kan livet i havet tilpasse seg en pH-endring? Smådyrene har raske generasjonsskifter, og hurtig evolusjon. Andre dyr, som koraller, har lengre intervaller.
Fremtiden kan vi ikke vite noe om, men vi prøver med modeller å skissere hvordan det kan bli. Våre valg påvirker naturen, og modellene viser konsekvensen av ulike valg. Om vi senker utslippene drastisk, og/eller fjerner CO2 fra atmosfæren, kan vi redusere de negative konsekvensene. Med fortsatt utslipp som i dag, kan vi få temperaturendringer opp til 6 grader i 2100, konflikter og høy migrasjon. Skal vi holde tempøkningen under 2grader, har vi 800 Gt CO2 å slippe ut – og vi er nå på 40. Det vil si at om vi durer på som nå, er ‘kvoten’ brukt opp på 20 år. Vi har altså dårlig tid. Parisavtalen forplikter landene til å redusere utslippene med 67%, men det må mer til.


Øvelser på samlingen:
1 – Kalkskall i eddik. Vi ser etter sammenhengen mellom havforsuring og nedbryting av skall på skjell. Vi legger ett eller flere skjell i 7% eddik til dagen etter. På forhånd har vi veid skjellene, og antar noe om hvordan det vil gå. Umiddelbart ser vi at det begynner å bruse og boble omkring skjellene, og undrer på om dette er CO2.
2 – Rust. Vi setter opp et forsøk med å legge to blanke spiker i saltvann. Den ene spikeren har kontakt med en liten plate sink. Vi kan ha en spiker i friluft, som kontroll. Saltholdigheten varierer vi etter hva vi ønsker å oppnå.
3 Biodiesel. Lage biodiesel fra soyaolje med refraksjon.
4 Argumentasjon. Artikler om klima og klimatilpasning, havforsuring, matproduksjon og temperaturøkning blir brukt til kristisk lesning, muntlige ferdigheter og argumentasjon.
5 Stålull i kobbersulfid.
6 Varmt, gult, gass, VGG. Øver opp grunnbegreper og ferdigheter koblet til en kjemisk reaksjon. Øvelsen er å blande kalsiumkarbonat, natron, vann og fenolrødt.

 

Vedlegg